1.- TEMA: Clasificación de las vibraciones mecánicas 2.- OBJETIVOS 2.1.- Objetivo General
Revisar y Analizar la clasificación de las vibraciones mecánicas.
2.2.- Objetivos Espec!icos
Entender la clasificación de las vibraciones mecánicas y que las producen. Revisar gráficos y ejemplos de las vibraciones mecánicas.
".- MA#$O TE%#I$O ".1.- Vibraci&n Una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. a posición de equilibrio es la a la que llegará cuando la fuerza que act!a sobre "l sea cero. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero# lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma dirección dirección en en cualquier momento. El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una una combi combina naci ción ón de movi movimi mien ento toss indi indivi vidu dual ales es de $ tipo tiposs difer diferen entes tes.. Esos Esos son son traslaciones en las tres direcciones ortogonales %# y# y z# y rotaciones alrededor de los ejes %# y# y z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se puede descomponer en una combinación de esos seis movimientos. &e un tal cuerpo se dice que posee seis grados de libertad.
".2 $'ASI(I$A$I%) $'ASI(I$A$I%) *E 'AS VIB#A$IO)ES ME$+)I$AS 'oda máqu máquin inaa en func funcio ionam namien iento to## aunq aunque ue este este muy muy bien bien dise( dise(ad ada# a# ajus ajustad tadaa y equilibrada# se ve sometida a vibraciones en todos sus elementos. El fenó fenóme meno no de vibr vibrac ació ión n no es posib posible le elimi elimina narl rlo o nunc nuncaa y as) as) lo demu demuest estra ra la e%pe e%peri rien encia cia.. as as razo razone ness son son varia varias# s# fund fundam amen enta talm lmen ente te pode podemo moss decir decir que que *ay solicitaciones tanto e%ternas como internas a la máquina# que *acen vibrar a todos sus componentes. En general# podemos definir la vibración como+ todo desplazamiento oscilante con el tiempo de un elemento o sistema# alrededor de su posición de equilibrio estático.
En el problema de vibraciones intervienen las fuerzas elásticas y las de inercia. El estudio de vibraciones en un aeromotor se *ace necesario porque un nivel e%cesivo o anómalo en las mismas puede conducir a+ , Alterar las condiciones normales de operación de la máquina con el perjuicio que ello lleva# de desajustes y *olguras entre elementos con p"rdida de rendimiento y aumento de ruido sonoro. , -i la vibración es muy intensa# pueden producir aflojes de uniones y el fallo estructural o colapso de la máquina. , Con vibraciones no muy intensas# puede producirse el fallo con el tiempo de funcionamiento de la máquina# por fatiga de algunos de sus elementos. as vibraciones se pueden clasificar de varias maneras# seg!n el concepto a estudiar. Una primera clasificación puede ser
en+
ara un sistema vibrando linealmente rige el principio de superposición y las t"cnicas matemáticas son relativamente sencillas y están bien desarrolladas. or el contrario las t"cnicas para sistemas no lineales son más complicadas y dif)ciles de aplicar. os sistemas tienden a volverse no lineales cuando crece la amplitud de su oscilación. 'ambi"n se puede establecer una segunda clasificación de la siguiente manera+
a vibración puede ser
peri&,ica o aleatoria.
".2.1 Vibraci&n peri&,ica: Está caracterizada por su per)odo de tiempo muy bien definido# /su inversa es la frecuencia0.
".2.2 Vibraciones aleatorias o ran,o: 1o tienen una forma de onda o per)odo repetible caracter)stico definido.
2igura 3.4
(ente: monografias.com
A su vez# la vibraci&n peri&,ica puede ser+ siple / copesta .
".2." Vibraci&n siple: Cuando en el espectro de la misma en frecuencia aparece !nicamente una sola frecuencia. odemos decir de forma más coloquial que la vibración simple# sólo está compuesta por una onda.
".2.0 Vibraci&n es copesta: -i aparecen dos o más frecuencias en el espectro la
2igura 3.5
(ente: monografias.com
2inalmente las vibraciones pueden ser aortia,as o no aortia,as . Como en la realidad todo sistema oscilatorio real está sometido a cierto grado de amortiguamiento debido a la fricción y otros tipos de resistencias internas del propio material# toda vibración 6libre6 acabará siendo amortiguada y en el caso de que no fuera amortiguada ser)a debido a un aporte e%terno de energ)a /vibración 6forzada60. Un caso muy importante en todo sistema vibratorio es cuando la e%citación e%terior fuerza al sistema con una frecuencia e%actamente igual a una propia del mismo. Esto se llama resonancia. En este caso el valor del amortiguamiento y de la fuerza e%citadora es fundamental en el desarrollo de la vibración# pudiendo darse el caso de rotura de la estructura del sistema oscilante si el valor relativo del amortiguamiento es muy bajo. En el dise(o de una máquina debe tenerse muy en cuenta las posibles resonancias entre los diversos elementos que la componen# para evitar que en el funcionamiento de aquella se presenten acoplamientos destructivos entre sus sistemas oscilantes.
Ejeplo 1 Un barco se puede mover desde adelante *acia atrás# desde abajo *acia arriba y de babord *acia tribord. 'ambi"n puede rodar en el sentido de la longitud rodar# girar alrededor del eje vertical# y girar alrededor del eje babor,tribor arfar.
Ejeplo 2 Un p"ndulo de un reloj solamente se puede mover en un plano. or eso# se le dice que es un sistema con un grado !nico de libertad.
Ejeplo " Un sistema con un grado !nico de libertad es un elevador que se mueve *acia arriba y *acia abajo en el cubo del elevador.
2igura 3.3
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a vibración de un objeto es causada por una fuerza de e%citación. Esta fuerza se puede aplicar e%ternamente al objeto o puede tener su origen a dentro del objeto. a proporción /frecuencia0 y la magnitud de la vibración de un objeto dado# están completamente determinados por la fuerza de e%citación# su dirección y frecuencia. Esa es la razón porque un análisis de vibración puede determinar las fuerzas de e%citación actuando en una máquina. Esas fuerzas dependen del estado de la máquina# y el conocimiento de sus caracter)sticas e interacciones permite diagnosticar un problema de la máquina. 7ibración libre no amortiguada.
(ira ".0 sistemas sdf+ vibración libre sin amortiguamiento
(ente:
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(ira ". vibración libre# representación vectorial
(ente: 8nternet
&onde u0 es la magnitud del desplazamiento má%imo y es llamada amplitud de movimiento# la cual está dada por+
En la figura 3.9 está representada vectorialmente la ecuación de movimiento# donde la respuesta está dada por la parte real o proyección *orizontal de los dos vectores de rotación: y el ángulo de fase representa la distancia angular de retraso en la respuesta del t"rmino del coseno. 3.5.9
Vibraci&n libre con aortiaiento viscoso
a ecuación de movimiento para un sistema lineal amortiguado en vibración libre es+
El coeficiente de amortiguamiento cr)tico# ccr # y la razón o relación de amortiguamiento cr)tico# son parámetros que determinan el tipo de movimiento del sistema.
(ira ".3 vibración libre de un sistema cr)ticamente amortiguado# sobreamortiguado y subamortiguado.
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Ejeplo 0 as estructuras civiles /puentes# edificios# embalses# etc.0 oseen una relación de amortiguamiento la cual las cataloga como sistemas subamortiguados# es por esta razón que dic*os sistemas se estudian con mayor preferencia.
".2.3 Sistea sbaortia,o ara un sistema subamortiguado / C<10 el desarrollo de la ecuación ; es+
(ira ".4 efecto del amortiguamiento en vibración libre
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1ótese que la ecuación ;.49 aplicada a un sistema no amortiguado / C=<0 se reduce a la ecuación ;.9. a figura 3.= ilustra una comparación entre un sistema subamortiguado y uno sin amortiguamiento: se observa que la amplitud del sistema no amortiguado es la misma en todos los ciclos de vibración# en cambio para el sistema amortiguado la amplitud decrece y lo *ace en forma e%ponencial. El valor del periodo natural de vibración amortiguado es+ /;.4=0 > está relacionado con el periodo natural sin amortiguamiento de la siguiente forma+
/;.4?0
a relación entre dos desplazamientos pico en un intervalo de tiempo td es constante# y el decremento logar)tmico está definido como el logaritmo natural de esta cantidad y está dado por+
/;.4@0 > la relación entre dos desplazamientos cuales quiera es+
/;.5<0
".2.4 Vibraci&n ,ebi,a a *esbalance El desbalance de la maquinaria es una de las causas más comunes de la vibración. En muc*os casos# los datos arrojados por un estado de desbalance indican+ 4. a frecuencia de vibración se manifiesta a 4% las rpm de la pieza desbalanceada. 5. a amplitud es proporcional a la cantidad de desbalance. 3. a amplitud de la vibración es normalmente mayor en el sentido de medición radial# *orizontal o vertical /en las maquinas con ejes *orizontales0. ;. El análisis de fase indica lecturas de fase estables. 9. a fase se desplazará @< si se desplaza el captador @<.
".2.5 Vibraci&n ,ebi,a a !alta ,e alineaiento En la mayor)a de los casos los datos derivados de una condición de falta de alineamiento indican lo siguiente+ 4. a frecuencia de vibración es de 4% rpm: tambi"n 5% y 3% rpm en los casos de una grave falta de alineamiento. 5. a amplitud de la vibración es proporcional a la falta de alineamiento. 3. a amplitud de la vibración puede ser alta tambi"n en sentido a%ial# además de radial. ;. El análisis de fase muestra lecturas de fase inestables. a falta de alineamiento# aun con acoplamientos fle%ibles# produce fuerzas tanto radiales como a%iales que# a su vez# producen vibraciones radiales y a%iales.
os tres tipos básicos de falta de alineamiento en el acoplamiento son+ angular# en paralelo y una combinación de ambos. Una falta de alineamiento angular sujeta principalmente los ejes de las maquinas acciona dora y accionada a vibración a%ial igual a la velocidad de rotación /rpm0 del eje. a falta de alineamiento en paralelo produce principalmente vibración radial con una frecuencia igual al doble de la velocidad de rotación del eje.
".2.6 Vibraci&n ,ebi,a a E7centrici,a, a e%centricidad es otra de las causas comunes de vibración en la maquinaria rotativa. E%centricidad en este caso no significa 6ovalización6# sino que la l)nea central del eje no es la misma que la l)nea central del rotor B el centro de rotación verdadero difiere de la l)nea central geom"trica. a e%centricidad es en realidad una fuente com!n de desbalances# y se debe a un mayor peso de un lado del centro de rotación que del otro. Una manera de diferenciar entre desbalance y e%centricidad en este tipo de motor es medir la vibración con filtro afuera mientras el motor está funcionando bajo corriente. uego# se desconecta el motor# observando el cambio de la amplitud de vibración. -i la amplitud se reduce gradualmente mientras el motor sigue girando por inercia# es muy probable que el problema sea debido a desbalance: -i# en cambio# la amplitud de vibración desaparece en el momento mismo en que el motor es desconectado# el problema es seguramente de naturaleza el"ctrica# y es muy posible que se deba a e%centricidad del inducido. a e%centricidad en rodetes o rotores de ventiladores# sopladores# bombas y compresores puede tambi"n crear fuerzas vibratorias. En esos casos las fuerzas son el resultado de fuerzas aerodinámicas e *idráulicas desiguales que act!an contra el rotor.
".2.18 *e Eleentos #o,antes *e!ectosos &efectos en las pistas# en las bolas o en los rodillos de rodamientos de elementos rodantes ocasionan vibración de alta frecuencia: y# lo que es mas# la frecuencia no es
necesariamente un m!ltiplo integral de la velocidad de rotación del eje. a amplitud de la vibración dependerá de la gravedad de la falla del rodamiento. 1ota+ la vibración generada por el rodamiento normalmente no es transmitida a otros puntos de la máquina. or lo tanto# el rodamiento defectuoso es generalmente el que se encuentra más cerca del punto donde ocurre el mayor nivel de vibración de este tipo.
".2.11 (alla ,e #o,aientos 9 Otras casas os rodamientos no fallan prematuramente a menos que alguna otra fuerza act!e sobre ellos: y tales fuerzas son generalmente las mismas que ocasionan vibración. Causas comunes de fallas en los rodamientos de elementos rodantes+ Carga e%cesiva 2alta de alineamiento &efectos de asientos del eje yo de las perforaciones en el alojamiento Dontaje defectuoso Ajuste incorrecto ubricación inadecuada o incorrecta -ellado deficiente 2alsa brinelación /&eformación bajo carga0 Corriente el"ctrica 7ibración debida a rodamientos de C*umacera defectuosos Elevados niveles de vibración# ocasionados por rodamientos de c*umacera defectuosos# son generalmente el resultado de una *olgura e%cesiva /causada por desgaste debido a una acción de barrido o por erosión qu)mica0# aflojamientos mecánicos /metal blanco suelto en el alojamiento0# o problemas de lubricación.
a ;olra e7cesiva ,e los ro,aientos Un rodamiento de c*umacera con *olgura e%cesiva *ace que un defecto de relativamente menor importancia# tal como un leve desbalance o una peque(a falta de
alineamiento# u otra fuente de fuerzas vibratorias# se transformen como resultado de aflojamientos mecánicos o en golpes repetidos /mac*acado0. En tales casos el rodamiento en si no es lo que crea la vibración: pero la amplitud de la misma seria muc*o menor si la *olgura de los rodamientos fuera correcta. A menudo se puede detectar un rodamiento de c*umacera desgastado por 6barrido6 efectuando una comparación de las amplitudes de vibración *orizontal y vertical. as maquinas que están montadas firmemente sobre una estructura o cimentaciones r)gidas revelaran# en condiciones normales# una amplitud de vibración ligeramente más alta en sentido *orizontal.
b Torbellino ,e aceite Este tipo de vibración ocurre solamente en máquinas equipadas con rodamientos de c*umacera lubricados a presión# y que funcionan a velocidades relativamente altas B normalmente por encima de la segunda velocidad critica del motor. a vibración debida a torbellinos de aceite a menudo es muy pronunciada# pero se reconoce fácilmente por su frecuencia fuera de lo com!n. &ic*a frecuencia es apenas menor de la mitad de la velocidad de rotación /en rpm0 del eje B generalmente en el orden del ;$ al ;? de las rpm del eje. El problema de los torbellinos de aceite normalmente se atribuye a dise(o incorrecto del rodamiento# desgaste e%cesivo del rodamiento# un aumento de la presión del lubricante o un cambio de la viscosidad del aceite. -e pueden *acer correcciones temporales modificando la temperatura del aceite /viscosidad0# introduciendo un leve desbalance o una falta de alineamiento de manera de aumentar la carga sobre el eje# o rascando yo ranurando los costados del rodamiento# para desbaratar la 6cu(a6 de lubricante. &esde luego# una solución más duradera es reemplazar el rodamiento con uno que *aya sido dise(ado correctamente de acuerdo a las condiciones operativas de la máquina# o con uno que est" dise(ado para reducir la posibilidad de formación de torbellinos de aceite. os rodamientos con ranuras a%iales usan las ranuras para aumentar la resistencia a la formación de torbellinos de aceite en tres puntos espaciados uniformemente. Este tipo
de configuración está limitado a las aplicaciones más peque(as# tales como turbinas de gas livianas y turbocargadores. os rodamientos de c*umacera de lóbulos brindan estabilidad contra los torbellinos de aceite al proporcionar tres puntos ce concentración de la pel)cula de aceite bajo presión# que sirven para centrar al eje. os rodamientos de ri(ón basculante son com!nmente utilizados para las maquinas industriales más grandes# que funcionan a velocidades más altas. Fay dos causas comunes de vibración que pueden inducir un torbellino de aceite en un rodamiento de c*umacera+ 4, 7ibración proveniente de maquinaria ubicada en las cercan)as+ uede ser transmitida al rodamiento de c*umacera a trav"s de estructuras r)gidas# tales como tuber)as y cimentaciones. A este fenómeno se le conoce como 'orbellino 8nducido por el E%terior. 5, 7ibración ocasionada por otros elementos de las maquina misma. 'oda vez que se detecta la vibración caracter)stica del torbellino de aceite se deberá realizar una completa investigación de las vibraciones en toda la instalación# incluyendo las fuentes de vibración circunvecina# las estructuras de cimentación y las tuber)as relacionadas. -e podrá as) quizás descubrir una causa e%terna de los problemas de torbellino de aceite.
c Torbellinos ,e ;ist
Cuando dic*o rotor está funcionando por encima de la primera velocidad critica pero por debajo de la segunda# el torbellino por *ist"resis ocurre a una frecuencia e%actamente igual a la primera velocidad cr)tica del rotor. 1ota+ a frecuencia de formación del torbellino de aceite es levemente menor de la mitad de la velocidad de rotación del rotor. a vibración ocasionada por un torbellino por *ist"resis tendrá las mismas caracter)sticas que las ocasionadas por un torbellino de aceite cuando la maquina funcionen a velocidades superiores a la segunda velocidad cr)tica del eje. Es decir# que una severa vibración se producirá a una frecuencia levemente menor que <.9% las rpm del rotor. El torbellino por *ist"resis es controlado normalmente por la acción de amortiguación provista por los rodamientos de c*umacera en s). -in embargo# cuando la amortiguación estacionaria es baja en comparación con la amortiguación interna del rotor# es probable que se presenten problemas. a solución usual para este problema es aumentar la amortiguación estacionaria de los rodamientos y de la estructura de soporte de los mismos# lo que puede lograrse instalando un rodamiento de ri(ón basculante o de alg!n rodamiento de dise(o especial. En algunos casos el problema puede ser solucionado reduciendo la amortiguación dada por el rotor B sencillamente# cambiando un acoplamiento de engranajes con una versión sin fricción: por ejemplo# con un acoplamiento de disco fle%ible.
".2.12 'bricaci&n Ina,eca,a Una inadecuada lubricación# incluyendo la falta de lubricación y el uso de lubricantes incorrectos# puede ocasionar problemas de vibración en un rodamiento de c*umacera. En semejantes casos la lubricación inadecuada causa e%cesiva fricción entre el rodamiento estacionario y el eje rotante# y dic*a fricción induce vibración en el rodamiento y en las demás piezas relacionadas. Este tipo de vibración se llama 6dry G*ip6# o sea látigo seco# y es muy parecido al pasar de un dedo mojado sobre un cristal seco. a frecuencia de la vibración debida al látigo seco generalmente es muy alta y produce el sonido c*illón caracter)stico de los rodamientos que están funcionando en seco. 1o es muy probable que dic*a frecuencia sea alg!n m!ltiplo integral de las rpm del eje# de manera que no es de esperarse ning!n patrón significativo bajo la luz estroboscópica. En
este respecto# la vibración ocasionada por el látigo seco es similar a la vibración creada por un rodamiento antifricción en mal estado. 'oda vez que se sospec*e que un látigo seco sea la causa de la vibración se deberá inspeccionar el lubricante# el sistema de lubricación y la *olgura del rodamiento.
".2.1" Vibraci&n ,ebi,a a A!lojaiento Mec=nico El aflojamiento mecánico y la acción de golpeo /mac*acado0 resultante producen vibración a una frecuencia que a menudo es 5%# y tambi"n m!ltiplos más elevados# de las rpm. a vibración puede ser resultado de pernos de montaje sueltos# de *olgura e%cesiva en los rodamientos# o de fisuras en la estructura o en el pedestal de soporte. a vibración caracter)stica de un aflojamiento mecánico es generada por alguna otra fuerza de e%citación# como un desbalance o una falta de alineamiento. -in embargo# el aflojamiento mecánico empeora la situación# transformando cantidades relativamente peque(as de desbalance o falta de alineamiento en amplitudes de vibración e%cesivamente altas. Corresponde por lo tanto decir que el aflojamiento mecánico permite que se den mayores vibraciones de las que ocurrir)an de por s)# derivadas de otros problemas. 1ota+ Un aflojamiento mecánico e%cesivo es muy probable que sea la causa primaria de los problemas cuando la amplitud de la vibración 5% las rpm es más de la mitad de la amplitud a la velocidad de rotación# 4% las rpm.
".2.10 Vibraci&n ,ebi,a a las Ban,as ,e Accionaiento as bandas de accionamiento del tipo en 676 gozan de muc*a popularidad para la transmisión del movimiento puesto que tiene una alta capacidad de absorción de golpes# c*oques y vibraciones. os problemas de vibración asociados con las bandas en 676 son clasificados generalmente por+ Reacción de la banda a otras fuerzas# originadas por el equipo presente# que causan alteraciones.
".2.1 Vibraciones crea,as por probleas ,e la ban,a en s.
as bandas en 676 son consideradas a menudo como fuente de vibración porque es tan fácil ver las bandas que saltan y se sacuden entre poleas. or lo general# el reemplazo de las bandas es a menudo una de las primeras tentativas de corrección de los problemas de vibración. -in embrago es muy posible que la banda est" sencillamente reaccionando a otras fuerzas presentes en la máquina. En tales casos las banda es solamente un indicador de que *ay problemas de vibración y no representan la causa misma. a frecuencia de vibración de las bandas es el factor clave en la determinación de la naturaleza del problema. -i la banda está sencillamente reaccionando a otra fuerza de alteración# tales como desbalance o e%centricidad en las poleas# la frecuencia de vibración de la banda será muy probablemente igual a la frecuencia alterante. Esto significa que la pieza de la máquina que realmente está causando el problema aparecerá estacionaria bajo la luz estroboscópica del analizador.
Es fácil determinar las rpm de una banda de la siguiente manera+ Rpm de la banda H /3.4; % diám. de la polea % rpm de la polea0 longitud de la banda. 7ibración debida a roblemas de Engranaje a vibración que resulta de problemas de engranaje es de fácil identificación porque normalmente ocurre a una frecuencia igual a la frecuencia de engrane de los engranajes es decir# la cantidad de dientes del engranaje multiplicada por las rpm del engranaje que falla. roblemas comunes de los engranajes# que tienen como resultado vibración a la frecuencia de engrane# comprenden el desgaste e%cesivo de los dientes# ine%actitud de los dientes# fallas de lubricación y materias e%tra(as atrapadas entre los dientes. 1o todos los problemas de engranajes generan frecuencias de vibración iguales a las frecuencias de engrane. -i un engranaje tiene un solo diente roto o deformado# por ejemplo# el resultado puede ser una frecuencia de vibración de 4% las rpm. Dirando la forma de onda de esa vibración en un osciloscopio conectado con un analizador# la presencia de se(ales de impulso permitirá distinguir entre este problema y las demás aver)as que tambi"n generan frecuencias de vibración de 4% las rpm. &esde luego# si *ay
más de un diente deformado# la frecuencia de vibración es multiplicada por una cantidad correspondiente. a amplitud y frecuencia de vibración debida a los engranajes pueden tambi"n parecer erráticas a veces. &ic*o tipo de vibración errática ocurre normalmente cuando un conjunto de engranajes está funcionando en condiciones de carga muy liviana. En tales condiciones la carga puede desplazarse repetidamente de un engranaje a otro de modo irregular.
".2.13 Vibraci&n ,ebi,a a (allas El
0.- $O)$'>$IO)ES
Estudiar detenidamente la clasificación de las vibraciones mecánicas. -e generó gráficos que ayudaron a entender las ondas de las vibraciones. Entender el por qu" se llega a producir las vibraciones mecánicas.
.- #E$OME)*A$IO)ES
Analizar con mayor detenimiento todos los documentos posibles que contengan
la clasificación de vibraciones mecánicas. Revisar detenidamente la información y escoger la mejor que se entienda. Revisar todos los gráficos para poder entender de mejor manera las ondas de
vibración. E%tender los estudios e%puestos para mejorar los conocimientos acerca de este tema.
3.- BIB'IOG#A(IA •
•
I.. Deriam# .J. Kraige. MECÁNICA PARA INGENIEROS, DINÁMICA. Editorial RE7ER'ER. /5<<50.
???.onora!ias.co
•
www.ebookbrowse.com
•
www.es.scribd.com
