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ANALISTA DE VIBRACIÓN I Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Introducción al diagnóstico de fallos 2 En estos apuntes a menudo se plantea como los datos provenientes de los diferentes ejes (vertical, horizontal y axial) pueden ser usados para dar una idea del estado de movimiento de la máquina. Se plantean fenómenos tales como holguras, impactos y modulación, que pueden generar bandas laterales y armónicos en el espectro. Se tratarán también las frecuencias de fallo y como los elementos rotativos (ejes, palas, engranajes) generan espectros en el espectro y la onda. Uniremos todos estos elementos y mostraremos como podemos usar estos conocimientos para el diagnóstico. En esta sección se cubren gran número de las diferentes condiciones relacionadas con los fallos que pueden aparecer. Hay tres caminos por los que se pude conducir un diagnóstico: desde el punto de vista del espectro, desde el punto de vista de la máquina o simplemente barajar los dos y ver el peso relativo de cada uno. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Comprender el espectro 3 Si se tiene en cuenta el espectro, se puede intentar construir una “imagen” de lo que se debería ver cuando se analiza. Básicamente se puede ordenar en cuatro categorías, y luego trasladarlo a las condiciones de fallo: Pico alto a 1X Pico alto a 2X Armónicos a 1X Presencia de bandas laterales Otros picos síncronos Picos asíncronos Picos subsíncronos Picos muy direccionales (solo en una dirección) Subsíncrono se refiere al área del espectro por debajo del 1X. Alguno de los problemas característicos que aparecen a esta frecuencia son: el latigazo de aceite, frecuencia de la jaula del rodamiento, frecuencia de la correa de transmisión, turbulencias e indicaciones de severas holguras y fricciones. Los subarmónicos son componentes síncronos en un espectro, que son múltiplos de 1/2,1/3 ó 1/4 de la frecuencia fundamental, primaria. A veces son llamadas componentes subsíncronos. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Comprender el espectro 4 En la forma de vibración de una máquina rotativa, normalmente habrá un componente en la velocidad de rotación, junto con varios armónicos de la velocidad de rotación. Si hay suficiente holgura, en la máquina para que algunas partes estén rechinando, el espectro generalmente tendrá subarmónicos. Armónicos de la mitad de la velocidad de rotación se llaman “subarmónicos de la mitad de la orden”. Componentes síncronos son aquellos cuya frecuencia es múltiplo de la velocidad de giro del eje. Se pueden identificar muchos problemas por un pico síncrono como desequilibrio, desalineación, holguras, flexión del eje, desgaste de palas y dientes, engranajes, … Picos asíncronos son aquellos que no aparecen exactamente a una frecuencia múltiplo de máquina. Estos picos indican frecuencias de rodamientos, un componente derivado de otro eje, armónicos de subsíncronos, frecuencias de resonancia, ruidos de otras máquinas, cavitación y combustión. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Comprender el espectro 5 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Comprender la máquina 6 Otra vía de aproximación al proceso de diagnóstico es comprender que está ocurriendo dentro de la máquina. Si entiendes las condiciones de trabajo entonces entenderás mejor que deberías ver en el espectro. Si entiendes las condiciones de fallo y como las señales se mezclan, la toma de medidas y el procesado de señales, estarás en la mejor posición para diagnosticar fallos en maquinaria. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Introducción al diagnóstico de fallo en maquinaria Comparar las dos 7 Y, finalmente, cuando estás empezando en el análisis de vibraciones puedes en cierta medida sopesar los dos. Puedes enfocar tus esfuerzos en comprender que vas a encontrar. Y con el tiempo podrás estudiar los fallos menos comunes. A menudo son llamados “los tres grandes”. Los problemas más comunes son: desequilibrio, desalineación y fallo en los rodamientos. Algunos a estos incluyen holguras, pasando a llamarse “los cuatro grandes”. Para muchos de los problemas, otros prefieren enfocar sus esfuerzos sobre la causa raíz y esto añade a la lista el problema de resonancia. Por eso se recomienda entender las causas de los fallos en las máquinas, así como los temas relacionados con el procesado de señales. Por último, recordar que las máquinas a menudo presentan más de un problema. Por ejemplo, si una máquina ha estado largo tiempo desequilibrada, el cojinete empezará a fallar. Un desequilibrio puede fomentar la creación de un problema de flexibilidad. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Diagnosticar desequilibrio 8 Técnicamente, desequilibrio se describe como un problema donde “el centro de rotación del eje y el centro de gravedad no coinciden”. En otras palabras, que hay un punto pesado en algún sitio a lo largo del eje. Desequilibrio 9 Ese punto pesado en el rotor produce una fuerza centrífuga en los apoyos cuando rota y esta fuerza varía ligeramente a cada revolución del rotor. La fuerza varía en el tiempo en base a un patrón senoidal, como se observó en el ejemplo del ventilador con la moneda. También se vio que las fuerzas son proporcionales a la velocidad de la máquina y al tamaño de la masa desequilibrada. Por eso si la máquina estuviese desequilibrada, esperaríamos ver una onda senoidal con la frecuencia de la velocidad de la máquina, y con un pico definido a 1X. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Desequilibrio 10 Sin embargo en la realidad habrá otras fuentes de vibración (holguras, desalineación, desgastes de los apoyos, ruidos, etc.), por eso, la señal que se verá no será senoidal pura. Cada rotor (ventilador, bomba, etc.) presentará algún desequilibrio residual. No existe la perfección. Como resultado habrá un pico a 1X, y el resto de la máquina estará “tranquila”. El pico 1X dominará el espectro, y la forma de onda puede parecer senoidal. Se tendrá por tanto que determinar si el desequilibrio presenta un problema real basándose en la amplitud. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Evaluar la severidad del desequilibrio 11 ¿Cómo se determina la severidad de un desequilibrio? Aquí se darán algunos parámetros, pero como ya se sabe, la velocidad de giro del eje afecta a las fuerzas centrífugas, y de esta manera a la velocidad de vibración. De hecho, las fuerzas de desequilibrio son proporcionales al cuadrado de velocidad. Por lo tanto el nivel de vibración aceptable a 1X, depende del tamaño y de la velocidad de la máquina. Esta tabla muestra el nivel de vibración para máquinas que operan a un rango entre 1800 y 3600 r.p.m. El tamaño de la máquina también afecta a los límites de vibración que se deben utilizar; para máquinas pequeñas reduce estos límites por 4 dB (x 0.63); para máquinas grandes de baja velocidad, incrementa los límites por 4 dB (x 1.6); para máquinas grandes de alta velocidad y máquinas de movimiento alternativo, incrementa los límites por 8 dB (x2.5). Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I La importancia del desequilibrio 12 El desequilibrio es un problema común y es importante porque las fuerzas rotacionales incrementales provocan una tensión indebida en apoyos y sellos. Equilibrar con precisión es incluso más importante para máquinas de alta velocidad, ya que hemos visto anteriormente que las fuerzas generadas son superiores a mayores velocidades. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Comprendiendo el desequilibrio 13 Hay dos tipos de desequilibrio: estático y dinámico puro (en el cual se crea un par). El tipo más simple de desequilibrio es equivalente a un punto pesado,en un único punto del motor. Es llamado desequilibrio estático, porque se mostrará aunque el rotor no gire. Si se sitúa en apoyos sin fricción, el rotor girará, hasta que el punto pesado se encuentre en su posición más baja. El desequilibrio estático aparece a un orden de 1X en ambos apoyos del rotor, y las fuerzas en ambos apoyos se producen en la misma dirección. Las señales de estos están en fase entre ellos. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Comprendiendo el desequilibrio 14 Un desequilibrio estático puro producirá un fuerte pico a 1X en el espectro, cuya amplitud será proporcional a la severidad del propio desequilibrio y al cuadrado de las RPM. Los niveles de vibración relativos al 1X en los apoyos dependen de la localización del punto pesado a lo largo del rotor. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Comprendiendo el desequilibrio 15 Un rotor con un desequilibrio dinámico puro, puede estar estáticamente equilibrado (parecer perfectamente equilibrado en los puntos de apoyo sin fricción). Pero al rotar producirá fuerzas centrífugas en los apoyos, y tendrán fases opuestas. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Comprendiendo el desequilibrio 16 Un rotor puede tener desequilibrio estático y dinámico puro al mismo tiempo, y esto se denomina desequilibrio dinámico. Esto es lo que generalmente se encuentra en la práctica. Sin la información de fase es bastante difícil distinguirlos. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Comprendiendo el desequilibrio 17 Con el fin de corregir el desequilibrio dinámico, se requiere trabajar en ambos planos. El desequilibrio estático se puede solucionar con una única corrección de peso. Sin embargo, la corrección se debe situar exactamente en el punto opuesto al desequilibrio, y esto no parece práctico. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro I Análisis de vibración 18 Hemos visto que la forma de onda debería ser senoidal, y que debería haber un pico bien definido a 1X en el espectro. Si miramos de nuevo a la animación podemos ver que para una máquina orientada horizontalmente, deberíamos ver esta vibración característica en la dirección radial (por ejemplo vertical y horizontal). Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II El nivel de vibración medido a 1X, depende de la rigidez del montaje de la máquina, así como de la cantidad de desequilibrio. Para máquinas más “elásticamente” montadas se mostrará un nivel superior, que para aquellas de montaje más rígido, a un orden de 1X, para el mismo desequilibrio. Los niveles verticales y horizontales de 1X deberían ser comparados. Cuanto más próximos sean estos, mayor probabilidad de que el desequilibrio sea la causa. En cualquier caso, la dirección en la cual la máquina presenta menor rigidez, será la dirección con el mayor nivel de vibración a 1X. Máquinas orientadas verticalmente 19 Máquinas verticales, como por ejemplo bombas, son generalmente sustentadas desde su base, y suelen mostrar los niveles máximos a 1X en la parte libre del motor, sin tener en cuenta que componente esté realmente desequilibrado. El espectro de nuevo mostrará un fuerte pico a 1X, cuando se mida en la dirección radial (horizontal o tangencial). Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Para aislar el desequilibrio del motor del de una bomba, es necesario desacoplar, y dejar funcionar solo al motor mientras se mide la vibración a 1X. Si el nivel todavía es alto, el problema está en el motor, en el caso contrario sería la bomba. Rotores en voladizo 20 Bombas y ventiladores en voladizo son comunes en la industria. Se tienen que examinar detenidamente los componentes rotativos, para asegurar si un componente está realmente en voladizo o soportado en ambos apoyos. Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Las causas del desequilibrio 21 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Hay una serie de razones por las cuales la máquina no está en equilibrio. Por supuesto, si la máquina no estaba originalmente equilibrada al instalarla, debido a la falta de equipamiento adecuado (y tiempo), o por carencias de la persona adecuada, entonces la máquina permanecerá desequilibrada y se dañarán os apoyos y sellos. Las siguientes condiciones pueden dar lugar a desequilibrio: Acumulación no uniforme de suciedad en el ventilador Falta de homogeneidad en los materiales, especialmente en piezas fundidas (burbujas, agujeros, poros…) Diferencia de los materiales que forman un acoplamiento (como los ejes) Rotor excéntrico Rotor agrietado Desviación del rodillo (rodillos de fábrica de papel) Errores de mecanizado Distribución no uniforme de la masa en bobinas eléctricas Corrosión o desgaste desproporcionado del rotor Pesos de equilibrio perdidos Analizando los datos 22 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Hemos aprendido que es de esperar un pico claro a 1X para las direcciones verticales y horizontales, y en las direcciones axiales para máquinas en voladizo o sostenidas por un soporte. También es de suponer una onda bastante senoidal. Por eso el análisis se puede hacer directamente. Identificar la velocidad de la máquina (1X) y echar una mirada a los datos de los ejes horizontal y vertical (y axial si es preciso). El desafío está en asegurarse de no diagnosticar un desequilibrio cuando realmente se trata de un problema diferente. Analizando los datos 23 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Aparte de esto, es igual de importante no errar cuando se va a equilibrar la máquina. Hay incontables casos en los que se ha intentado equilibrar una máquina que tiene otros problemas: desalineación, holguras, etc. Hay que tener cuidado con estos problemas y después proceder con el equilibrado. Como vamos a estudiar todas las posibilidades de fallos en máquinas, varios de los problemas se muestran generando un gran pico a 1X, incluyendo desalineación, holguras, ejes flexionados y un rotor excéntrico. Por tanto debes asegurarte de no errar en el diagnóstico. Analizando los datos 24 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II También se puede usar la fase para ayudarse a hacer la distinción. Sin embargo no deberías realizar una lectura de fase como rutina, pero puede llegar a ser muy útil para medidas especiales. Se debería ver un desfase de 90º entre las lecturas de los ejes vertical y horizontal, tomados en el mismo apoyo de la máquina. Para un desequilibrio estático ambos extremos de la máquina deberían estar en fase. En el caso de un desequilibrio en el desacoplamiento ambos extremos de la máquina estarán desfasados 180º. Sin embargo hay muchos casos en los que habrá un desequilibrio dinámico y en este caso no hay reglas para la diferencia de fases entre el apoyo externo y el interno. Ejemplo 1 25 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Los siguientes datos provienen de la bomba de una tolva para cenizas. Esta máquina se utiliza para expulsar las cenizas fuera de la caldera. La máquina consiste en un motor eléctrico de 150 H.P. con un acoplamiento flexible a una bomba con 6 paletas impulsoras. El caudal de la bomba alcanza los 245 l. por minuto a una presión principal de 117 metros por columna de aire. Ejemplo 1 26 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Se puede ver un pico alto de 9.5 mm/s y una onda de marcado carácter senoidal. En la toma horizontal se verán altos niveles de 1X (39 mm/s). Esto indica un problema de flexibilidad/resonancia de carácter severo, que está excitado por el desequilibrio. Como era de esperar el nivel en la dirección axial es mucho más bajo, con tan solo 1.6 mm/s. Ejemplo 1 27 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Viendo el gráfico en cascada,se observa que el nivel de vibración a la frecuencia 1X ha aumentado durante un periodo de tiempo. Esto puede ser debido a una acumulación desigual de ceniza en el rotor de la bomba, o a una erosión (o corrosión) de este. Dado que el nivel vertical también ha aumentado, podría sugerirse que es el desequilibrio el responsable del aumento de la amplitud, y no una continua debilidad de la estructura, (por ejemplo afectando la flexibilidad horizontal). Ejemplo 2 28 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Viendo el gráfico en cascada, se observa que el nivel de vibración a la frecuencia 1X ha aumentado durante un periodo de tiempo. Esto puede ser debido a una acumulación desigual de ceniza en el rotor de la bomba, o a una erosión (o corrosión) de este. Recordar que si la máquina estuviese desequilibrada veríamos un alto nivel de vibración a 1X en las direcciones vertical y horizontal, pero también en la axial. Ejemplo 2 29 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Podemos ver un pico alto a 1X en la dirección vertical, y la onda parece muy senoidal (periódica). Los garabatos son debidos a que los componentes de órdenes 2X y 6X también están representados. Un vistazo rápido a los componentes del eje horizontal muestra que el pico a 1X es también dominante y bastante alto. Ejemplo 2 30 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Un vistazo rápido a los componentes del eje horizontal muestra que el pico a 1X es también dominante y bastante alto. Y finalmente cuando observamos la dirección axial, veremos de nuevo un pico alto a 1X. Por eso en este caso se tiene un clásico ejemplo de desequilibrio en una máquina con un rotor en voladizo. Comprendiendo la excentricidad 31 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II La excentricidad ocurre cuando el centro de rotación está descentrado respecto de la línea del centro geométrico de la polea, engrane, apoyo, o rotor. Lo discutimos ahora porque los síntomas son muy similares a los del desequilibrio. Comprendiendo la excentricidad 32 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II Las ruedas de polea excéntricas generarán componentes radiales fuertes a 1X, especialmente en la dirección paralela a la correa. Este fenómeno es muy común, y se puede confundir con un desequilibrio. Las ruedas de polea excéntricas generarán componentes radiales fuertes a 1X, especialmente en la dirección paralela a la correa. Este fenómeno es muy común, y se puede confundir con un desequilibrio. Comprendiendo la excentricidad 33 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticar desequilibro II La excentricidad en máquinas conducidas por poleas puede ser comprobada quitando la correa/s y comprobando de nuevo el pico 1X en el motor. Cuando cubramos los fallos asociados con la electricidad, hablaremos sobre rotores excéntricos y como afectan al espectro. Diagnosticando desalineación 34 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I De una manera breve se puede definir la desalineación como dos ejes acoplados cuyos centros geométricos no coinciden. Si los centros geométricos de los ejes que presentan desalineación, son paralelos pero no coinciden, entonces se dice que la desalineación es paralela. Diagnosticando desalineación 35 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I Si los ejes desalineados se encuentran en un punto, ero no son paralelos, entonces la desalineación es denominada angular. Casi todos los tipos de desalineación vistos en la práctica son una combinación de estos dos. Comprendiendo la desalineación angular 36 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La desalineación angular produce un momento de flexión en cada eje, y esto genera una fuerte vibración a 1X y una leve a 2X, en la dirección axial de ambos apoyos. Habrá también claros y fuertes niveles de vibración radial (horizontal y vertical) a 1X y 2X. Sin embargo estos componentes estarán en fase. Comprendiendo la desalineación angular 37 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La vibración estará 180º desfasada en la dirección axial del acoplamiento, y en fase en la dirección radial. Los acoplamientos que se encuentran desalineados también producirán picos bastante altos a 1X en los apoyos en la otra parte del eje. Esto significa que se puede recoger la medida axial en los apoyos exteriores del motor o de la bomba por ejemplo, y todavía detectar desalineación. Comprendiendo la desalineación paralela 38 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La desalineación paralela produce fuerzas cortantes y momentos de flexión en el extremo del acoplamiento de cada eje. Comprendiendo la desalineación paralela 39 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I También se producen niveles altos de vibración en la dirección radial (horizontal y vertical) en los apoyos a cada lado del acoplamiento. A menudo el nivel a 2X será superior al 1X. Los niveles en la dirección axial a 1X y 2X serán niveles bajos para una desalineación pura. Comprendiendo la desalineación paralela 40 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La vibración estará desfasada 180º en la dirección axial del acoplamiento, y también en la dirección radial. Desalineación común 41 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La mayoría de casos de desalineación son una combinación de desalineación paralela y angular. El diagnóstico, como regla general, se basa en una vibración dominante al doble de la velocidad de giro (2X), con un incremento en los niveles de la velocidad de giro (1X) actuando tanto en la dirección axial como en la vertical y la horizontal. En acoplamientos flexibles aparecerán armónicos a 1X y 2X. En realidad la desalineación produce una variedad de síntomas en diferentes máquinas; cada caso tiene que ser individualmente diagnosticado, basado en un entendimiento de ambas causas. Junto a los picos producidos a 1X y a 2X, también suele aparecer un pico a 3X, asociado con desalineación. Confundiendo desalineación con desequilibrio 42 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I Una forma de distinguir entre desalineación y desequilibrio es aumentar la velocidad de la máquina. El nivel de vibración debido al desequilibrio aumentará en proporción al cuadrado de la velocidad, mientras que la vibración debida a la desalineación no aumentará. Por supuesto esta prueba no se puede llevar a cabo en todas las máquinas. Otra prueba que se puede llevar a cabo es hacer funcionar el motor desacoplado. Si todavía persiste un pico alto a 1X, entonces el motor está desequilibrado. Si el pico desaparece, el conducido es el que tiene el problema de desequilibrio, quizá de desalineación. Cada pequeña prueba puede aportarnos picos adicionales. Efecto en la temperatura en la desalineación 43 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I Gracias a la expansión y contracción que se produce al variar la temperatura, la mejor alineación de cualquier máquina siempre ocurrirá a temperatura cte., y esta temperatura será la habitual de trabajo. Es imperativo que los análisis para detectar desalineación se hagan a esta temperatura. La importancia de la desalineación 44 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación I La desalineación es común y es importante porque el incremento de las fuerzas rotacionales generará tensión en apoyos y sellos. En el departamento de mantenimiento se dice que una parte clave del mantenimiento proactivo es la reducción de la desalineación para que los llamados “fallos secundarios” no aparezcan. Luego, en general, si las máquinas se alinean y equilibran con precisión serán mucho más fiables. Causas de desalineación 45 Diagnóstico de Fallosen Maquinaria Diagnosticando desalineación I La desalineación se produce generalmente por las siguientes causas: Montaje impreciso de los componentes como motores, bombas, etc. Posición relativa, tras haber sido hecho el montaje de componentes (se pueden producir desplazamientos. Distorsión debida a fuerzas ejercidas por el sistema de tuberías. Distorsión de apoyos flexibles debida a momentos de torsión. Un incremento en la temperatura de la estructura de la máquina. Superficies de acoplamiento enfrentadas que no son perpendiculares al centro geométrico del eje. Apoyos débiles, debido a los cuales la máquina puede variar su posición, cuando se ajustan los tornillos de estos. La otra razón principal para que se produzca una desalineación en una máquina es el incorrecto posicionamiento de esta desde el principio de su instalación. Esto puede ser debido a una pobre formación del equipo encargado de hacerlo, o a la falta de medios y tiempo. Evidentemente la máquina seguirá desalineada y esto producirá daños en apoyos y sellos. Análisis de vibraciones 46 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II A partir de nuestra descripción de desalineación angular y paralela, se puede ver que las frecuencias de primer, segundo y tercer orden son importantes. Por lo tanto es importante (como siempre) calcular exactamente la velocidad de la máquina. También vimos que es importante analizar los datos en las direcciones horizontal, vertical y axial. Las medidas en la dirección axial son muy importantes para el diagnóstico de desalineación. Como se apuntó anteriormente, los niveles horizontal y vertical pueden ser altos, sin embargo a diferencia de lo que ocurre en desequilibrio, no tienen que ser necesariamente iguales. De hecho, uno de ellos puede alcanzar el doble de amplitud que el otro. Si no se usa un acelerómetro triaxial, se tienen que tomar lecturas uniaxiales separadas. Afortunadamente, es satisfactorio tomar medidas axiales de los apoyos externos (tomar lecturas de los apoyos internos puede ser difícil debido a las protecciones del acoplamiento y a la falta de espacio). Análisis de vibraciones 47 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Recuerda que siempre que los componentes estén en voladizo también generarán vibraciones altas a 1X. Un eje doblado puede ser fácilmente confundido con una desalineación, como pronto se verá. Por eso piensa detenidamente en la máquina y asegúrate de descartar desequilibrio y flexiones en el eje antes de empezar a buscar desalineación. Asegúrate al observar los picos a 2X que no se trata del pico a dos veces la frecuencia de red (100 o 120 Hz). A primera vista este gráfico parece presentar un pico alto a 2X, cuando realmente es una mezcla del pico a 2X y la frecuencia de red de 120 Hz. (EEUU). Análisis de vibraciones 48 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Si te das cuenta que el pico a 2X es una frecuencia de 120 Hz. deberías estudiar la razón de este pico, pero sin dejar de investigar la desalineación. La forma de onda es muy útil. Si tienes u pico dominante a 1X en la dirección axial, la onda debería ser bastante senoidal. Si hay un fuerte componente a 2X y aparece algo a 1X, la onda desarrollará un característico “zig-zag”. Lo mismo también es válido para medidas de fase en el acoplamiento. Cuando se comparan lecturas horizontales o verticales a 1X, ambas estarán en fase o con un desfase de 180º. Ejemplo 48 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Esta máquina es un motor eléctrico de corriente alterna de 20 HP que transmite por medio de un acoplamiento flexible a una bomba centrífuga. La velocidad de rotación nominal del motor es de 3550 RPM. Hay seis paletas en la zona de impulsión de la bomba. Ejemplo 49 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Si empezamos con los datos verticales de la bomba podemos ver un pico alto a 1X, y algo de vibración a 2X. El alto nivel a 2X es nuestra primera indicación. Ejemplo 50 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Los datos correspondientes con el valor horizontal son: Se puede ver que tenemos picos altos a 1X y 2X y ahora el pico es u 2X “puro” (fíjate que los marcadores de armónicos se sitúan en la cima del pico de 2X). También se observa un pico pequeño a 3X. Los datos en la dirección axial indican un pico a 1X y el pico alrededor de 2X es de nuevo una mezcla del 2X y el doble de la frecuencia de red. Esto confirma el diagnóstico de desalineación. Observar que la escala del gráfico es diferente. La amplitud del pico a 1X es más baja que los niveles observados en los ejes vertical y horizontal. Diagnosticando eje doblado 51 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Ahora vamos a diagnosticar como diagnosticar un problema de flexión del eje de una máquina. Trataremos este problema ahora porque a menudo conduce a una confusión con un desequilibrio o desalineación. Un eje flexionado causa predominantemente vibración alta a 1X en axial. La vibración dominante se presenta generalmente a 1X, si la flexión está cercana al centro del eje, sin embargo se verá vibración a 2X si la flexión está más próxima al acoplamiento. Diagnosticando eje doblado 52 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Las medidas de los ejes vertical y horizontal, a menudo revelarán picos a 1X y 2X. Sin embargo la clave es la medida axial. Medir la fase es también una buena prueba para diagnosticar flexión del eje. La fase medida a 1X en la dirección axial en los extremos opuestos, dará como resultado un desfase de 180º. Diagnosticando un rodamiento torcido 53 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando desalineación II Un apoyo desviado, el cual es una forma de desalineación, generará una vibración considerable en axial. Aparecerán picos a 1X, 2X y 3X. Dado que hay una vibración axial tan fuerte, puede ser confundida con una desalineación del acoplamiento, o con un desequilibrio en una bomba o ventilador en voladizo. Sin embargo, la presencia de picos a 2X y 3X determinará la presencia de un apoyo mal fijado/desviado, y descartará el problema de desequilibrio. Diagnosticando holguras 54 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Trataremos ahora el problema de las holguras, ya que este hecho generará también picos a 1X. Hay dos tipos de holguras a considerar: holgura rotativa y holgura no rotativa. Las holguras rotativas son causadas por una excesiva distancia entre los elementos rotativos y los estacionarios de la máquina como pueden ser los rodamientos. Mientras que las no rotativas ocurren por la misma razón, pero entre partes estacionarias de la máquina como por ejemplo los soportes de la base o la carcasa de los rodamientos con la propia máquina. Holguras rotativas 55 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Las holguras rotativas pueden ocurrir debido a un desgaste de los apoyos. Primero se detectan otros síntomas de desgaste, seguidos de holguras. Las holguras rotativas pueden ocurrir debido a un desgaste de los apoyos. Primero se detectan otros síntomas de desgaste, seguidos de holguras. Holguras rotativas 56 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras A medida que la holgura se incrementa, número y amplitud de los armónicos aumenta. Algunos picos pueden ser más altos que otros cuando coinciden con resonancias u otras fuentes de vibración, por ejemplo una frecuencia de paso de álabes. Una excesiva holgura en un cojinete puede producir armónicos a 0.5X. Son los llamados componentes de medio orden o subarmónicos. Pueden ser producidos por fricciones o impactos severos. Incluso puede ser posible 1/3 de armónico. Holguras rotativas 57 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Otras formas de holgura, o traqueteo, también generaránarmónicos a 1X en el espectro. Los ejemplos incluyen holguras en cubiertas de motor, estructuras de acero tocando un motor, holguras en protectores, etc. La onda puede ser también muy útil cuando se trata de diagnosticar o confirmar problemas de holguras. Cuando las condiciones de holgura empeoran, podrás observar un truncamiento de la forma de onda, y más tarde verás impactos de onda. La vibración comenzará a aparecer de forma aleatoria. Un claro síntoma de holgura. La fase puede ser usada para confirmar holguras. Sin embargo se usa exclusivamente para confirmar que no se trata de ningún otro tipo de problema. La fase relativa entre las diferentes localizaciones y ejes, será de naturaleza aleatoria. Holguras estructurales (Flexibilidad en la cimentación) 58 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras La holgura entre una máquina y su base aumentará la vibración de 1X en la dirección de menor rigidez. Esta es normalmente la dirección horizontal, pero depende de la disposición física de la máquina. Si la holgura es severa se suelen producir armónicos de bajo orden. Es complicado distinguir entre desequilibrio y holguras en la base o flexibilidad, especialmente entre máquinas verticales. Holguras estructurales (Flexibilidad en la cimentación) 59 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Es previsible que haya holguras si la vibración a 1X en horizontal es superior al 1X en vertical. Sin embargo, si en la dirección horizontal el nivel es similar o inferior al de la dirección vertical es posible que sea un desequilibrio. El movimiento de las carcasas del montaje, tornillos sueltos y la corrosión causan holguras y flexibilidad en la base. Si la máquina tiene soportes elásticos, entonces la vibración siempre será mayor en el eje horizontal. La fase puede ser usada para verificar esta condición. Habrá un desfase de 180º entre la máquina y la base en dirección vertical. Cojinetes con pedestal 60 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras La holgura estructural en un pedestal se mostrará de manera diferente en un espectro. El espectro tendrá componentes a 1X, 2X y 3X (pero a menudo no más armónicos), con un pico a 0.5X en los casos más severos. La fase de nuevo puede ser usada para verificar este hecho. Habrá un desfase de 180º entre el apoyo y la base. Ejemplo 61 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Los siguientes datos provienen de la bomba de una tolva para cenizas. Esta máquina se utiliza para expulsar las cenizas fuera de la caldera. La máquina consiste en un motor eléctrico de 150 H.P. con un acoplamiento flexible a una bomba con 6 paletas impulsoras. Ejemplo 62 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Esta máquina fue utilizada también para el problema de desequilibrio. Se descubrió que aunque hay síntomas claros de desequilibrio (pico alto a 1X), los niveles son significativamente más altos en el eje horizontal, indicando una flexión en la base. Ejemplo 2 63 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Los siguientes datos son de una bomba de licor negro, en una fábrica de papel. La máquina es un motor de 20 HP flexiblemente acoplado a una bomba centrífuga en voladizo con 6 palas. Ejemplo 2 64 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Aunque hasta ahora los niveles de amplitud no son altos, los datos muestran una serie de armónicos, y la onda de tiempo exhibe una vibración aleatoria. Ejemplo 3 65 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Este motor de corriente alterna conduce una bomba centrífuga que mueve líquido digestor en una fábrica de papel. La velocidad nominal del motor es de 3580 RPM. La bomba tiene 4 paletas. Los componentes de las dos máquinas están acoplados flexiblemente. Ejemplo 3 66 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando holguras Si miramos a los datos de vibración, podemos ver armónicos del 1X, aunque la altura de estos no es grande, lo que sugiere un problema de holguras severas. Observe también armónicos de medio orden. Diagnosticando fallos en rodamientos 67 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Los rodamientos se encuentran en muchas máquinas de tamaño considerable, y son los responsables de muchos fallos de éstas. Pero esto no es del todo correcto. El rodamiento está diseñado para durar muchos años, pero en la mayoría de los casos, no son tratados correctamente. Rodamientos de elementos rodantes 68 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Muchos años de experiencia han demostrado que en la práctica, menos de un 10% de los rodamientos alcanzan el tiempo de vida para el que fueron diseñados. Alrededor de un 40% de los problemas en rodamientos son atribuidos a una incorrecta lubricación, y un 30% a un montaje inapropiado, como por ejemplo, desalineación de estos. Aproximadamente un 20% falla por otras razones, como sobrecarga y defectos en la fabricación. En numerosas ocasiones se ha hablado de mantenimiento proactivo y precisión. Si la maquinaria rotativa fuese alineada y equilibrada con precisión, no trabajase cerca de las frecuencias resonantes y los apoyos estuviesen correctamente lubricados, las máquinas serían mucho más fiables. Desafortunadamente esto no se lleva a cabo en la mayoría de las empresas y estos rodamientos se gastan y fallan prematuramente. Análisis de espectros y de onda temporal 69 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Un rodamiento defectuoso producirá componentes de vibración que no son múltiplos exactos de 1X, en otras palabras, son componentes asíncronos. La existencia de componentes asíncronos en un espectro de vibración, es una alerta para el analista que avisa de problemas en los rodamientos, y donde este debe descartar inmediatamente todas las demás posibilidades para verificar su diagnóstico. Para empezar, veremos las frecuencias que se pueden generar por problemas en los rodamientos, y después pasaremos por diferentes niveles de desgaste de los rodamientos, parándonos en las diferentes técnicas de análisis. Cálculo de frecuencias de fallo 70 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Hay 4 frecuencias de fallo de interés: de pista interior BPI, de pista exterior BPO, de giro de bolas BS y de jaula FT. Si utilizas órdenes para trabajar con estas frecuencias (FT=0.4X), entonces todo lo que se necesita para calcular la frecuencia final es multiplicarla por la velocidad del eje en el cual está localizado el rodamiento. Alternativamente se podrá conocer la siguiente información: nº de bolas, diámetro de la bola, diámetro primitivo del rodamiento y ángulo de contacto. Cálculo de frecuencias de fallo 71 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Las fórmulas son las siguientes: Cálculo de frecuencias de fallo 72 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos El valor para BS puede ser doblado, porque la fórmula dada es para la bola “golpeando” la pista interior o la pista exterior. Si la imperfección en la bola/rodillo golpea las pistas interior y exterior, entonces la frecuencia se dobla. Otro punto es que las frecuencias no son exactas. Debido al deslizamiento, al desgaste e imperfecciones de los rodamientos (dimensiones no calculadas perfectamente), las frecuencias pueden diferir en un valor muy pequeño. Para simplificar problemas hay unas reglas que pueden ser muy útiles. Si conoces la BPI y la BPO, puedes sumarlas para determinar el número de bolas o de rodillos. Por ejemplo, si BPO es de 3.2X y BPI es 4.8X, entonces tiene que haber 8 bolas. Esto es útil porque si se sabe el número de bolas y solo se conoce una frecuencia, se puede determinar la otra. Cuando entremos en la sección de diagnóstico, veremos que el pico de la pista interior tendrá típicamente bandaslaterales a 1X. Por otro lado, sabiendo esto y el número de bolas, se podrá encontrar el BPO. Cálculo de frecuencias de fallo 73 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Además hay una regla (para cojinetes entre 8 y 12 bolas) que dice que la BPO es generalmente 0.4 veces el número de bolas, la BPI es 0.6 veces el número de bolas y la FT es 0.4. El punto de partida es que si ves picos asíncronos, hay bastantes posibilidades de que estén relacionados con desgastes de los rodamientos. Si también encontramos armónicos y bandas laterales, entonces las probabilidades de desgaste en los rodamientos son muy altas, incluso no se necesitará saber las frecuencias de fallo exactas. Frecuencias de fallo visualizadas 74 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Vamos a mirar detenidamente las frecuencias de fallo. Para nuestro ejemplo usaremos un rodamiento de 9 bolas y siguiendo la regla anterior tendremos BPO = 3.6, BPI = 5.4, BS = 2.4, y FT = 0.4. Vamos a empezar con la frecuencia de giro de la bola. Representa el número de veces que un defecto de la bola golpea la pista interior o exterior. Como se comentó el valor calculado se puede doblar si el defecto golpea las pistas exterior e interior. En la animación, por cada rotación completa del eje, la bola gira 2.4 veces. Frecuencias de fallo visualizadas 75 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Diagnosticando fallos en rodamientos Cada bola gira tanto fuera como dentro de la zona de carga cuando el eje rota, luego debemos esperar modulación. La bola viaja alrededor del apoyo a la frecuencia de jaula (FT), en este caso lo hace a 0.4X., alrededor del apoyo para cada vuelta que da el eje. Ahora se puede ver que para cada vuelta del eje pasarán 3.6 bolas por un punto de la pista exterior. Y finalmente para cada vuelta del eje, pasarán por el mismo punto de la pista interior 5.4 bolas. Etapa 1 76 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Ahora que sabemos donde encontrar las frecuencias de fallo en el espectro, estudiaremos las 9 fases de los fallos en rodamientos. Algunos las describen como 4, pero esta es la clasificación más general. La primera fase de fallo en el rodamiento aparece en un rango de frecuencias entre aproximadamente 20kHz. y 60 kHz. y quizás a frecuencias más altas. Hay varios instrumentos electrónicos diseñados para detectar estas frecuencias, como spike energy, HDF, SOC Pulse, SEE, y otros aparatos para medir frecuencias ultrasónicas. En esta primera fase el espectro normal de vibración note dará ninguna información. Etapa 2 77 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Ahora los defectos son suficientemente grandes como para hacer sonar al rodamiento como una campana a su frecuencia resonante (natural). Esta frecuencia también actúa como portadora, modulando la frecuencia del defecto en el apoyo. Etapa 3 78 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Ahora comenzarán a aparecer las frecuencias a causa de los defectos en los apoyos. En un principio, sólo veremos las frecuencias en sí. Usemos un fallo en la pista interior como ejemplo. Cuando el desgaste del apoyo empeora, el nivel de pico a la frecuencia de fallo BPI, aumentará. Y aunque hay varios modos de fallo a considerar, en muchos casos el nivel crecerá de forma lineal con el tiempo. Se debería decir, sin embargo que un fallo en un apoyo no seguirá siempre los típicos patrones. Los signos de desgaste pueden aparecer y desaparecer (aparece un problema y en la siguiente prueba no tenemos nada). Etapa 4 79 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos A medida que el fallo progresa las frecuencias desarrollan armónicos. Esto indicará ciertos niveles de impacto. Hay veces en las que los armónicos aparecen antes que sus frecuencias fundamentales. Por eso siempre se debe buscar picos asíncronos y mirar si hay armónicos. Etapa 4 80 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos La amplitud de las frecuencias de fallo empezará desde niveles de muy baja amplitud a altas frecuencias. Si solo lo analizas desde una escala lineal, posiblemente pierdas estos síntomas vitales. Etapa 4 81 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Algunos argumentan que si no puedes verlos en la escala lineal, no es suficientemente como para que te alarmes. Sin embrago se aconseja que si se quiere llevar a cabo una previsión de los posibles fallos, es necesario utilizar herramientas sencillas, como escalas logarítmicas para ver todo lo que el rodamiento está contando. En este ejemplo vemos como el gráfico a escala lineal no dice nada, sin embargo en escala logarítmica tenemos un pico a 3.18X. Etapa 4 82 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos El análisis de la forma de onda es muy importante en esta fase. Si esperas ver algo en el espectro, ciertamente aparecerá también en la onda. Estos impactos se verán como pulsos de onda. En este ejemplo se puede ver un espectro de alta frecuencia, pero todavía con picos de baja amplitud y picos superpuestos en la onda. Etapa 4 83 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Se suele decir que si se quiere detectar síntomas tempranos de fallo en un rodamiento, se deben recoger datos a alta frecuencia en aceleración (con un acelerómetro sin integración). La aceleración acentúa los contenidos a alta frecuencia, lo que es ideal para esta aplicación. Etapa 5 84 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Cuando el problema empeora, y el daño en el apoyo va a más, aumentan los niveles de vibración, y aparecen más armónicos. Esta vez empiezan a verse bandas laterales, dependiendo de la naturaleza del problema. Etapa 5 85 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Si lo recuerdas, la modulación curre cuando la amplitud de una frecuencia (la de fallo del rodamiento) cambia periódicamente. Hay dos situaciones donde puede aparecer esta modulación (para el caso de una máquina horizontal): En el primer caso si la pista interior presenta un fallo, los impactos serán más violentos cuando la pista interior esté en la zona de carga del apoyo, y esto generará amplitudes más altas. Cuando el fallo se mueve fuera de la zona de carga, la amplitud decrecerá, y será mínimo cuando esté en la parte superior del rodamiento. Etapa 5 86 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Por lo tanto, en este caso, la frecuencia de fallo de la pista interior está modulada a la velocidad de giro (de la pista interior), por eso esperamos bandas laterales a 1X. Más tarde veremos un ejemplo de esto, lo que es bastante común. En el segundo caso, si la bola tiene un defecto, obtendremos de nuevo modulación por las mismas razones. Cuando la bola está en la zona de carga, el impacto será más violento que cuando esté fuera. Cuanto más cercana esté la bola en la zona de carga, mayor será la amplitud de vibración. Pero ¿con qué velocidad entra y sale la bola de la zona de carga?, no es a 1X. Las bolas se mueven alrededor del apoyo a la frecuencia fundamental de la jaula. Esta frecuencia es normalmente 0.4X. Cuando se empiezan a ver armónicos y especialmente bandas laterales, el desgaste del rodamiento se hace visible. El rodamiento debería cambiarse. Hay que tener en cuenta también que en esta fase, las medidas de alta frecuencia, tales como “spike energy” o “shock pulse” todavía presentan tendencia ascendente. Etapa 5 87 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos La onda mostrará de nuevo los efectos del daño causado en el rodamiento. Los picos en la onda serán más pronunciados, y se podrá incluso medir el tiempo entre cada picopara calcular la frecuencia de fallo. Etapa 6 88 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Ahora la vibración a 1X se ve amplificada, y aparecen armónicos del 1X. Esto puede ser atribuido a un desgaste que desemboca en una excesiva holgura. Etapa 7 89 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos Ahora vemos que las frecuencias de fallo y bandas laterales en el espectro son sustituidas por “montículos”. Esto se debe a la generación de ruido de banda ancha. Verás que es posible escuchar al rodamiento situándose en una posición próxima a la máquina. En esta fase, la vibración a altas frecuencias puede empezar a decrecer. Por eso, si estás usando estas herramientas y empiezas a ver una tendencia descendente cambia el rodamiento. Etapa 8 90 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos El ruido de fondo crece, los armónicos también crecen son holguras adicionales, la tendencia de la frecuencia de fallo desciende y sobre todo y muy importante, la señal de ruido en el espectro empieza a aumentar. Definitivamente se oirá al rodamiento y está cerca de su rotura. Etapa 9 91 Diagnóstico de Fallos en Maquinaria Las nueve etapas de fallo en rodamientos El espectro ahora es una línea plana porque la máquina ya no funciona.
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