1ER CONGRESO DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN EL MANTENIMIENTO M.C. FRANCISCO L. RODRÍGUEZ BONILLA PROF. DE TIEMPO COMPLETO DE LA CARRERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO SAN JUAN DEL RÍO, QRO. 15 DE AGOSTO 2008.
CONTENIDO • 1. Introducción • 2. El mantenimiento • 3. Vibraciones mecánicas • 4. Fundamentos del Análisis de Vibraciones • 5. Conclusiones
1. Introducción
Tres conceptos claves • Mantenimiento, vibraciones, economía son tres palabras íntimamente relacionadas y de total vigencia actual. • Durante mucho tiempo se desconoció la importancia y la necesidad de aprovechar las vibraciones generadas por la maquinaria industrial para evaluar su estado mecánico. • Sin embargo, en los últimos años se
Mantenimiento y economía • Aunque se sabe que el mantenimiento afecta directamente a la economía, este efecto puede ser de forma rentable u ocasionar pérdidas considerables, ya que la intervención de una máquina cuyo estado técnico no justifique dicha acción puede ocasionar pérdidas irreversibles.
Fallo catastrófico • Igualmente, la presencia incontrolable de vibraciones en una máquina hace inminente su fallo catastrófico debido al efecto en cadena que produce la proliferación de las fuerzas dinámicas, todo lo cual lleva a tener pérdidas económicas incuestionables.
Máquinas críticas • Sin embargo, la relación mantenimiento-vibraciones aporta grandes beneficios, siempre que el Diagnóstico y las Técnicas Predictivas se apliquen a aquellas máquinas que por su importancia dentro del flujo tecnológico así lo requieran (máquinas críticas).
Objetivo de la plática • Esta plática tiene el objetivo de proporcionar un acercamiento general a lo que es el Mantenimiento Predictivo en la industria, y en particular a una de sus técnicas más importantes como es el Análisis de Vibraciones.
2. El mantenimiento
Labores de mantenimiento.
El mantenimiento es vital para las empresas.
Mantenimiento Correctivo • Tradicionalmente, en la industria la actividad del mantenimiento se ha llevado a cabo en base a dos estrategias fundamentales. Por un lado, la maquinaria es operada en forma continua, según lo requiera el régimen de trabajo de la industria en cuestión, efectuándose la intervención de mantenimiento, sólo cuando se presenta una avería en la
Mantenimiento Preventivo • Por otro lado, en otros tipos de máquinas el mantenimiento se aplica cada ciertos intervalos de tiempo que se pueden definir de acuerdo a recomendaciones del fabricante, frecuencia de fallos, métodos basados en la confiabilidad, etc., lo que evidencia una estrategia de Mantenimiento Preventivo Planificado.
Mantenimiento Predictivo Consistente en la detección y diagnóstico de averías antes de que se produzcan. De tal forma pueden programarse los paros para reparaciones en los momentos oportunos. La filosofía de este tipo de mantenimiento se basa en que normalmente las averías no aparecen de repente, sino que tienen una evolución. Así pues el Mantenimiento Predictivo se basa en detectar estos defectos con antelación para corregirlos y evitar paros no programados, averías importantes y
Beneficios del Mantenimiento Predictivo • Entre los beneficios de su aplicación tenemos: • a) Reducción de paros; • b) Ahorro en los costos de mantenimiento; • c) Alargamiento de vida de los equipos; • d) Reducción de daños provocados por averías; • e) Reducción en el número de accidentes; • f) Más eficiencia y calidad en el funcionamiento de la planta; • g) Mejoras de relaciones con los clientes, al disminuir o eliminar los retrasos.
Parámetros a medir • Las Tecnologías Predictivas se basan en la interpretación de los resultados de las mediciones de diversos parámetros que caracterizan el comportamiento de la maquinaria industrial, lo cual permitirá realizar un diagnóstico eficaz del estado de la máquina y de sus componentes. Entre estos parámetros se encuentran las vibraciones y la
Tecnologías Predictivas • Entre las tecnologías utilizadas para el monitoreo predictivo tenemos: • a) Análisis de vibraciones; • b) Termografía; • c) Análisis de muestras de lubricantes; y, • d) Análisis de las respuestas acústicas (ultrasonido).
Medición de
Ejemplo de un espectro
Forma de
Termografía
Imágenes termográficas
Gran diversidad de maquinaria, como una turbina
PMP • Se conoce por Programa de Mantenimiento Predictivo o PMP, a aquel que está formado por tres etapas imprescindibles: • a) detección, • b) identificación y • c) corrección.
Detección • Es el primer paso del PMP y se realiza haciendo un seguimiento de la evolución de uno o varios parámetros elegidos dependiendo de su sensibilidad para detectar los cambios en la condición de la máquina.
Identificación • Cuando se tiene detectado el problema en la máquina, se procede a identificar la causa del mismo, es decir, se trata de identificar qué elemento o elementos están originando que los niveles de vibración aumenten respecto a los niveles que indican una condición normal.
Corrección • Cuando se conoce la causa del problema y su localización precisa, se procede a realizar actividades planificadas con el fin de eliminar eficaz y eficientemente el problema y sus causas. El hecho de que se puedan identificar adecuadamente los problemas incluso en una etapa inicial, es muy importante ya que así se pueden planificar oportunamente las labores de mantenimiento, y de esta forma disminuir al máximo los
¿Para qué tener un PMP? • En general, el PMP ayuda inicialmente a conocer el comienzo de una avería potencial a la vez que permite conocer las causas del problema que se está desarrollando, para finalmente determinar el momento preciso en que hay que intervenir la máquina para corregir el problema detectado.
Implantación de un PMP • Para que el mantenimiento predictivo sea exitoso debe planearse cuidadosamente, proceso que debe pasar por diversas fases, como se muestra en la figura siguiente.
Fases de un PMP
3. Vibraciones mecánicas
¿Qué es una vibración? • En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. • La posición de equilibrio es a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él 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 en cualquier momento.
Vibración • La vibración también se puede definir en forma sencilla como: • Un cambio temporal y periódico de una masa. Es un movimiento del equipo.
Vibraciones en la vida diaria
Otros aspectos de las vibraciones
Aprovechamiento de las vibraciones
Criba vibratoria y aplanadora o apisonadora
Efectos negativos de las vibraciones
Niveles de vibración
Movimiento vibratorio de un cuerpo • El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una combinación de movimientos individuales de 6 tipos diferentes. Esos son traslaciones en las tres direcciones ortogonales x, y, y z, y rotaciones alrededor de los ejes x, y, y z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se
Traslaciones y rotaciones
Grados de libertad • De un cuerpo cualquiera se dice que posee seis grados de libertad en el espacio. Por ejemplo, un barco se puede mover desde adelante hacia atrás (ondular) desde abajo hacia arriba y de babor hacia estribor. También puede girar en el sentido de la longitud (rodar), girar alrededor del eje vertical (colear), y girar alrededor del eje babor-estribor.
Ejemplos de grados de libertad • Supóngase que a un objeto se le impide el movimiento en cualquier dirección excepto una. Por ejemplo un péndulo de un reloj solamente se puede mover en un plano. Por eso, se dice que es un sistema con un grado único de libertad. Otro ejemplo de un sistema con un grado único de libertad es un elevador que se mueve hacia arriba y hacia abajo
Sistemas con un grado de libertad
Causa de la vibración • La vibración de un objeto es causada por una fuerza de excitación. Esta fuerza se puede aplicar externamente al objeto o puede tener su origen adentro del objeto. La proporción (frecuencia) y la magnitud de la vibración de un objeto dado, están completamente determinados por la fuerza de excitación, su dirección y
Fuerzas de excitación • Esa es la razón porque un análisis de vibración puede determinar las fuerzas de excitación actuando en una máquina. Esas fuerzas dependen del estado de la máquina, y el conocimiento de sus características e interacciones permite diagnosticar un problema de la máquina.
Movimiento armónico simple • El movimiento más sencillo que pueda existir es el movimiento en una dirección, de una masa controlada por un resorte único. Este sistema mecánico se llama sistema resorte-masa, con un grado único de libertad. Si se desplaza la masa, hasta una cierta distancia del punto de equilibrio, y después se suelta, el resorte la regresará al equilibrio.
Sistema resorte – masa oscilando.
Representación gráfica • La siguiente figura muestra la gráfica que se obtendría al registrar el desplazamiento de la masa contra el tiempo.
Efecto de la fricción • Si no hubiera fricción en el sistema, la oscilación continuaría en la misma proporción y en la misma amplitud para siempre. Este movimiento armónico simple idealizado, casi nunca se encuentra en sistemas mecánicos reales. Cualquier sistema real tiene fricción y eso hace que la amplitud de la vibración disminuya gradualmente ya que la energía se
Periodo • El periodo es el tiempo necesario para completar un ciclo, o para un viaje ida y vuelta, o de un cruce del nivel cero hasta el siguiente cruce del nivel cero en la misma dirección. El periodo se mide en segundos o milisegundos dependiendo de que tan rápido se cambie la onda. T = el periodo de la onda
Frecuencia • La frecuencia es el número de ciclos que ocurren en un segundo, y sencillamente es el recíproco del período: F = la frecuencia de la onda = 1/T • La unidad de frecuencia es el Hz, llamada por el científico alemán, Heinrich Hertz, que fue el primero en investigar las ondas de radio.
Frecuencia • La frecuencia también se puede expresar en otras unidades en forma común. Por lo general, se expresa en hertz, cuyo símbolo es Hz o radianes por segundo, (RPS) o también revoluciones por minuto (RPM) o ciclos por minuto (CPM). Estos conceptos pueden verse más claramente en la siguiente figura.
Nomenclatura involucrada en el movimiento vibratorio.
Medición de la amplitud de vibración • Las definiciones siguientes son de aplicación a la medición de la amplitud de las vibraciones mecánicas. • Amplitud: es el máximo valor que presenta una onda sinusoidal. La amplitud se mide generalmente en valores pico-pico para desplazamiento y valores cero-pico y RMS para velocidad y aceleración.
Valores cero-pico, pico-pico y rms.
Amplitud • Amplitud Pico (Pk) es la distancia máxima de la onda del punto cero o del punto de equilibrio. • Amplitud Pico - Pico (Pk-Pk) es la distancia de una cresta negativa hasta una cresta positiva. En el caso de una onda senoidal, el valor picopico es exactamente dos veces el valor pico, ya que la forma de la onda es simétrica. Pero eso no es necesariamente el caso con todas las
El concepto de Fase • Fase es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas senoidales. Aunque la fase es una diferencia verdadera de tiempo, siempre se mide en términos de ángulo, en grados o radianes. Eso es una normalización del tiempo que requiere un ciclo de la onda sin considerar su verdadero periodo de tiempo.
Diferencia de fase • La diferencia en fase entre dos formas de onda se llama a veces el desplazamiento de fase. Un desplazamiento de fase de 360 grados es un retraso de un ciclo o de un periodo de la onda, lo que realmente no es ningún desplazamiento. Un desplazamiento de 90 grados es un desplazamiento de 1/4 del periodo de la onda etc.
Atraso y avance de fase • El desplazamiento de fase puede ser considerado positivo o negativo; eso quiere decir que una forma de onda puede ser retrasada relativa a otra o una forma de onda puede ser avanzada relativa a otra. Esos fenómenos se llaman atraso de fase y avance de fase respectivamente.
Defasamiento de 90º entre dos señales senoidales.
Otro ejemplo de fase • La fase también se puede medir con referencia a un tiempo particular. Un ejemplo de esto es la fase de un componente desbalanceado en un rotor, con referencia a un punto fijo en el rotor, como una conexión.
Vibración compuesta • Una señal compuesta es una sumatoria de varias señales sinusoidales que comprenden cada uno de los componentes que se encuentran en la máquina, mas todos los golpeteos y vibraciones aleatorias. El resultado es una señal como la ilustrada en la siguiente figura.
Una vibración compuesta se puede considerar como la suma de varias simples.
Vibración aleatoria y golpeteos • Además de las vibraciones simples, también existen otros tipos de vibraciones como son la vibración aleatoria y los golpeteos. • La vibración aleatoria no cumple con patrones especiales que se repiten constantemente o es demasiado difícil detectar donde comienza el ciclo y donde termina.
Vibraciones aleatorias •
Estas vibraciones están asociadas generalmente a turbulencia en blowers o bombas, a defectos de lubricación o a cavitación en bombas.
Vibración aleatoria.
Golpeteos • Los golpeteos están asociados a golpes continuos y aunque crean una señal repetitiva, ésta tiende a morir debido a la amortiguación del medio.
Gráfica de un golpeteo.
Sistema de vibración masamuelle
Efecto de la masa en la frecuencia
Tipos de vibraciones
Libre
Forzad a
Combinación de respuestas
Transformada de Fourier • Hasta ahora sólo se han visto vibraciones en el dominio del tiempo, que son señales directas de la máquina. Como ya se dijo antes, en estas señales se encuentra plasmada toda la información acerca del comportamiento de cada componente de la máquina.
• Pero hay un problema a la hora de realizar un diagnóstico: estas señales están cargadas de mucha información en forma muy compleja, la cual comprende las señales características de cada parte, por lo cual prácticamente queda imposible distinguir a simple vista los diferentes componentes.
• Existen otras formas para realizar un estudio de vibraciones, entre las cuales se encuentra mirar esta señal en el dominio de la frecuencia. Esta es la gráfica de Amplitud vs Frecuencia y es conocida con el nombre de espectro. Esta es la mejor herramienta que se tiene actualmente para el análisis de maquinaria.
Jean Baptiste Fourier • Fue precisamente el matemático francés Jean Baptiste Fourier (1768 1830) quien encontró la forma de representar una señal compleja en el dominio del tiempo por medio de series de curvas
• Entonces lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la transformada rápida de Fourier es capturar una señal desde una máquina, luego calcula todas las series de señales sinusoidales que contiene la señal compleja y por último las muestra en forma individual en el eje x de la frecuencia.
Señales en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia.
• En la ilustración de tres dimensiones mostrada puede notarse claramente la señal compleja (en color verde), capturada desde una máquina. A dicha señal se le calculan todas las series de señales sinusoidales en el dominio del tiempo (vistas en azul) y por último se muestra cada una en el dominio de la frecuencia (vistas en rojo).
Señal en el dominio del tiempo y de la frecuencia • La siguiente figura muestra una señal en el dominio del tiempo y su correspondiente en el dominio de la frecuencia.
4. Fundamentos del Análisis de Vibraciones
¿En qué se basa? • La vibración mecánica se transmite a través de bases y estructuras causando fatiga en elementos estáticos y a veces vibraciones moduladas en el entorno. La severidad de vibración tiene que ver con las frecuencias resonantes del sistema que pueden llevar a condiciones críticas e inestables.
Por lo tanto…. • En un sistema de Mantenimiento Predictivo mediante la técnica de Análisis de Vibraciones se estudia la evolución del comportamiento vibratorio de las máquinas, de manera que identificando las causas se encuentra el momento oportuno para tomar una acción correctiva, por ejemplo un cambio de rodamiento sin necesidad de realizar paros por averías, lo que permite optimizar tiempos y producción.
¿Qué genera una máquina rotatoria? • La maquinaria rotativa produce vibraciones mecánicas cuya intensidad puede exceder los límites admisibles poniendo en peligro la funcionalidad del equipo y la seguridad del entorno.
Cadena de medida
El avance de la tecnología • Los componentes y etapas mencionadas lo son en forma general. El avance de la tecnología permite integrar varios componentes en un solo equipo, por lo cual el sistema se reduce a los siguientes: elemento de fijación, transductor, colector-analizador de vibraciones y computadora.
Analizador de vibraciones • Analizador de vibraciones: captura la señal de la vibración y además obtiene la Transformada rápida de Fourier, con lo cual la vibración se descompone acuerdo a su frecuencia. Todo en un solo equipo. • Analizando el nivel de vibración en cada una de las frecuencias obtenidas se
Analizador de vibración
El colector de vibraciones • En cuanto a este equipo los avances han sido bastantes buenos, y se tienen equipos cada vez más pequeños, poderosos y versátiles, en comparación con tiempos anteriores donde eran muy grandes. En una unidad pequeña la base de datos que se creó en la PC por medio de un software especial se graba en el colector, el cual va siguiendo la ruta determinada y permite colectar los datos y obtener la señal en
El colector de vibraciones
Colector – analizador DLI Watchman DCA-31
El transductor • El componente usado puede ser uno que mida ya sea desplazamiento, velocidad o aceleración.
La computadora • En la computadora se tiene cargado el software para la base de datos y para el análisis de la información. En ella se dan de altas la máquinas de interés y se establece la ruta de medición, con los puntos de medición en cada máquina, la cual se cargará al colector, para seguir la ruta en forma independiente. Una vez colectados los datos, se regresan a la PC para procesarlos y obtener resultados.
Basura metes, basura sacas
Parámetros a medir • Existen tres parámetros que se pueden medir en las vibraciones y que se presentan en forma simultánea en una vibración. Cada uno de ellos se mide con un dispositivo diferente y la información que proporcionan también es diferente. Su uso depende por lo común del rango de frecuencias que se quiera medir: • Desplazamiento • Velocidad • Aceleración.
Desplazamiento •En vibración de maquinaria, el desplazamiento es la distancia a la que la vibración provoca a una parte de moverse. Es oscilatorio y se mide en milésimos de pulgada (mils) en el sistema inglés, y en milímetros (mm) en el sistema SI. Por convención popular, las mediciones de desplazamiento se hacen de
Velocidad • Se utiliza para medias frecuencias. • Se mide en mm/s ó plg/s. • Indica problemas como resonancias, desequilibrios, desalineaciones, holguras, etc.
Aceleración •Se utiliza para altas frecuencias. •Se mide en G’s (1 G: aceleración de la gravedad) •Indica problemas en rodamientos y engranes.
Comparación de parámetros • Estas tres curvas mostradas, proporcionan la misma información, pero el acento se ha cambiado. Noten que la curva de desplazamiento es más difícil de leer en las frecuencias más altas. La curva de velocidad es la más uniforme en nivel sobre frecuencia. Eso es típico para la mayoría de la maquinaria rotativa pero en algunos casos, las curvas de desplazamiento y aceleración serán las más uniformes. Es una buena idea seleccionar las unidades de tal manera que se obtenga la curva más plana. Eso
Resultados y diagnóstico • • • • • • •
Desbalanceo Desalineación Resonancias Pulsaciones Fallas en engranajes Bandas Chumaceras
• Flujo de líquidos y de gases • Fallas en rodamientos
Combinación de problemas Generalmente una máquina tiene una combinación de algunos de estos problemas, de acuerdo a la configuración de la misma.
Ejemplo de espectros de casos estudiados • Desbalanceo en un plano: plano Generalmente producido por desgaste radial superficial no uniforme en rotores en los cuales su largo es despreciable en comparación con el diámetro.
Resultados y diagnóstico • Los resultados dependen mucho del software que se tenga. Pero lo que se intenta es obtener un diagnóstico a través del análisis de los espectros de la vibración. Se pueden diagnosticar problemas de: • Desalineación • Holgura mecánica • Problemas de lubricación • Rotor rozante
Desbalanceo en un plano
Esquema del desbalanceo en un plano y su espectro típico.
Desbalanceo en un plano • El espectro presenta vibración dominante con una frecuencia igual a 1 X RPS del rotor. Se recomienda para corregir la falla balancear el rotor en un sólo plano (en el centro de gravedad del rotor) con la masa adecuada y en la posición angular calculada con un equipo de balanceo. Debe consultar a un experto en balanceo de
1 Conclusión a
• El Análisis de Vibraciones, permite prevenir el daño catastrófico en maquinaria rotatoria, al identificar el problema presente, pero también el origen, con lo cual se puede dar mantenimiento a la maquinaria en forma planeada, optimizando al máximo el tiempo de operación de los componentes y las labores de mantenimiento.
2 Conclusión a
• Debe estar claro que el trabajo con las vibraciones ya sea desde el punto de vista del aprovechamiento de la información de la cual son portadoras o desde el punto de vista del control y aislamiento de éstas, requiere inversiones iniciales altas. El equipamiento involucrado no es barato, y por lo tanto, constituye una exigencia de primer orden la
3 Conclusión a
• Dicho equipo deberá satisfacer las expectativas del especialista competente en la problemática del diagnóstico vibro-acústico de máquinas y estructuras. Por eso es necesario aprovechar al máximo la capacidad del instrumento, para amortizar en el más breve plazo la inversión realizada y esto sólo puede lograrse en base a una preparación
4 Conclusión a
Con el Análisis de vibraciones se logra: • Detectar y eliminar anticipadamente las averías de los equipos. • Eliminar paros no planificados. • Reducir costos de reparación. • Anticipar y planificar los inventarios. • Incrementar la disponibilidad de la planta.
¡Muchas gracias!
