CAUSAS QUE PROVOCAN VIBRACIÓN
INTRODUCCIÓN
¿Porque se estudian las vira!iones" La razón principal de analizar y diagnosticar el estado de una máquina es determinar las medidas necesarias para corregir la condición de vibración – reducir el nivel de las fuerzas vibratorias no deseadas e innecesarias. De manera que, al estudiar los datos de interés principal deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de la vibración, la determinación de las causas, y la corrección del problema que ellas representan. El siguiente material muestra las diferentes causas de vibración y sus consecuencias, lo cual ayudará a interpretar los datos que se puedan obtener, determinando as el tipo de vibración que se presenta y buscar la debida corrección.
Vira!i#n deida a Desalan!e El desbalance de la maquinaria es una de las causas más comunes de la vibración. En muc!os casos, los datos arro"ados por un estado de desbalance indican# $. La frecuencia frecuencia de vibració vibración n se manifiesta manifiesta a $% las las rpm de la pieza pieza desbalancead desbalanceada. a. &. La amplitu amplitud d es proporcional proporcional a la cantidad cantidad de desbalance. desbalance. '. La amplitud amplitud de la la vibración vibración es normalm normalmente ente mayor mayor en el sentido sentido de de medición medición radial, radial, !orizontal o vertical (en las maquinas con e"es !orizontales). *. El análisi análisiss de fase fase indica indica lectura lecturass de fase fase estables estables.. +. La fase fase se desplazará desplazará - - si se desplaza desplaza el captador captador -. -.
Nota$ el desbalance de un rotor saliente a menudo tiene como resultado una gran amplitud de la vibración en sentido a%ial, al mismo tiempo que en sentido radial.
Vira!i#n deida a %alta de alinea&iento
En la mayora de los casos los datos derivados de una condición de falta de alineamiento indican lo siguiente# $. La frecuencia de vibración es de $% rpm/ también &% y '% rpm en los casos de una grave falta de alineamiento. &. La amplitud de la vibración es proporcional a la falta de alineamiento. '. La amplitud de la vibración puede ser alta también en sentido a%ial, además de radial. *. El análisis de fase muestra lecturas de fase inestables. La falta de alineamiento, aun con acoplamientos fle%ibles, produce fuerzas tanto radiales como a%iales que, a su vez, producen vibraciones radiales y a%iales.
Nota$ 0no de los indicios más importantes de problemas debidos a falta de alineamiento y a e"es torcidos es la presencia de una elevada vibración en ambos sentidos, radial y a%ial. En general, cada vez que la amplitud de la vibración a%ial sea mayor que la mitad de lectura radial más alta, !ay un buen motivo de sospec!ar la e%istencia de un problema de alineamiento o e"e torcido.
'os tres ti(os )si!os de %alta de alinea&iento en el a!o(la&iento son$ angular, en paralelo y una combinación de ambos.
Una %alta de alinea&iento an*ular su"eta principalmente los e"es de las máquinas accionadora y accionada a vibración a%ial igual a la velocidad de rotación (rpm) del e"e.
'a %alta de alinea&iento en (aralelo produce principalmente vibración radial con una frecuencia igual al doble de la velocidad de rotación del e"e.
Vira!i#n deida a E+!entri!idad 1entro de gravedad no coincide con el centro geométrico. La e%centricidad es otra de las causas comunes de vibración en la maquinaria rotativa. E%centricidad en este caso no significa 2ovalización2, sino que la lnea central del e"e no es la misma que la lnea central del rotor – el centro de rotación verdadero difiere de la lnea central geométrica. La e%centricidad es en realidad una fuente com3n de desbalances, y se debe a un mayor peso de un lado del centro de rotación que del otro.
0na 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 ba"o corriente. Luego, se desconecta el motor, observando el cambio de la amplitud de vibración. 4i la amplitud se reduce gradualmente mientras el motor sigue girando por inercia, es muy probable que el problema sea debido a desbalance/ 4i, en cambio, la amplitud de vibración desaparece en el momento mismo en que el motor es desconectado, el problema es seguramente de naturaleza eléctrica, y es muy posible que se deba a e%centricidad del inducido. La e%centricidad en rodetes o rotores de ventiladores, sopladores, bombas y compresores puede también crear fuerzas vibratorias. En esos casos las fuerzas son el resultado de fuerzas aerodinámicas e !idráulicas desiguales que act3an contra el rotor.
Vira!i#n deida de ele&entos rodantes de%e!tuosos Defectos 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 m3ltiplo integral de la velocidad de rotación del e"e. La amplitud de la vibración dependerá de la gravedad de la falla del rodamiento.
Nota$ la vibración generada por el rodamiento normalmente no es transmitida a otros puntos de la máquina. 5or 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.
,alla de Roda&ientos - Otras !ausas Los rodamientos no fallan prematuramente a menos que alguna otra fuerza act3e sobre ellos/ y tales fuerzas son generalmente las mismas que ocasionan vibración.
Causas !o&unes de %allas en los roda&ientos de ele&entos rodantes$ •
• • • • • • • •
1arga e%cesiva 6alta de alineamiento Defectos de asientos del e"e y7o de las perforaciones en el alo"amiento 8onta"e defectuoso 9"uste incorrecto Lubricación inadecuada o incorrecta 4ellado deficiente 6alsa brinelación (Deformación ba"o carga) 1orriente eléctrica
Vira!i#n deida a roda&ientos de !.u&a!era de%e!tuosos 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 qumica), aflo"amientos mecánicos (metal blanco suelto en el alo"amiento), o problemas de lubricación.
a/ 0ol*ura e+!esiva de los roda&ientos 0n 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 aflo"amientos mecánicos o en golpes repetidos (mac!acado).
En tales !asos el roda&iento en si no es lo que !rea la vira!i#n/ pero la amplitud de la misma seria muc!o menor si la !olgura de los rodamientos fuera correcta. 9 menudo se puede detectar un rodamiento de c!umacera desgastado por 2barrido2 efectuando una comparación de las amplitudes de vibración !orizontal y vertical. Las máquinas que están montadas firmemente sobre una estructura o cimentación rígidas revelaran, en condiciones normales, una amplitud de vibración ligeramente más alta en sentido !orizontal.
/ Torellino de a!eite Este tipo de vibración ocurre solamente en máquinas equipadas con rodamientos de c!umacera lubricados a presión, y que funcionan a velocidades relativamente altas – normalmente por encima de la segunda velocidad critica del motor. La vibración debida a torbellinos de aceite a menudo es muy pronunciada, pero se reconoce fácilmente por su frecuencia fuera de lo común. Dic!a frecuencia es apenas menor de la mitad de la velocidad de rotación (en rpm) del e"e – generalmente en el orden del 12 al 134 de las r(& del e5e. El problema de los torbellinos de aceite normalmente se atribuye a $.; Dise:o incorrecto del rodamiento &.; Desgaste e%cesivo del rodamiento '.; 9umento de la presión del lubricante
*.; 1ambio de la viscosidad del aceite
4e pueden !acer correcciones temporales# $.; 8odificando la temperatura del aceite (viscocidad) &.;
Desde luego, una solu!i#n &)s duradera es reemplazar el rodamiento con uno que !aya sido dise:ado correctamente de acuerdo a las condiciones operativas de la maquina, o con uno que esté dise:ado para reducir la posibilidad de formación de torbellinos de aceite. Los rodamientos con ranuras axiales usan las ranuras para aumentar la resistencia a la formación de torbellinos de aceite en tres puntos espaciados uniformemente. Este tipo de configuración está limitado a las aplicaciones más peque:as, tales como turbinas de gas livianas y turbocargadores. Los rodamientos de chumacera de lóbulos brindan estabilidad contra los torbellinos de aceite al proporcionar tres puntos ce concentración de la pelcula de aceite ba"o presión, que sirven para centrar al e"e. Los rodamientos de ri:ón basculante son com3nmente utilizados para las máquinas industriales más grandes, que funcionan a velocidades más altas. >ay dos causas comunes de vibración que pueden inducir un torbellino de aceite en un rodamiento de c!umacera# 1.
Vira!i#n (roveniente de &aquinaria ui!ada en las !er!an6as$ 5uede ser transmitida al rodamiento de c!umacera a través de estructuras rgidas, tales como tuberas y cimentaciones. 9 este fenómeno se le conoce como Torbellino Inducido por el Exterior.
7/ Vira!i#n o!asionada (or otros ele&entos de la &)quina &is&a/
?oda vez que se detecta la vibración caracterstica del torbellino de aceite se deberá realizar una investigación completa de las vibraciones en toda la instalación, incluyendo las fuentes de vibración circunvecina, las estructuras de cimentación y las tuberas relacionadas. 4e podrá as quizás descubrir una causa e%terna de los problemas de torbellino de aceite.
a/ Torellinos de 0ist8resis Este tipo de vibración es similar a la vibración ocasionada por el torbellino de aceite, pero ocurre a frecuencias diferentes, cuando el rotor gira entre la primera y la segunda velocidad crtica. 0n rotor que funcione por encima de la velocidad crtica tiende a fle%ionarse, o arquearse, en sentido opuesto del punto pesado de desbalance. La amortiguación interna debida a !istéresis, o sea la amortiguación de fricción, normalmente limita la defle%ión a niveles aceptables. 4in embargo, cuando acontece un torbellino por !istéresis, las fuerzas amortiguadoras se encuentran en realidad en fase con la defle%ión, y por lo tanto, incrementan la defle%ión del motor. 1uando dic!o rotor está funcionando por encima de la primera velocidad critica pero por deba"o de la segunda, el torbellino por !istéresis ocurre a una frecuencia e%actamente igual a la primera velocidad crtica del rotor.
Nota$ La frecuencia de formación del torbellino de aceite es levemente menor de la mitad de la velocidad de rotación del rotor. La vibración ocasionada por un torbellino por !istéresis tendrá las mismas caractersticas que las ocasionadas por un torbellino de aceite cuando la maquina funcione a velocidades superiores a la segunda velocidad crtica del e"e. Es decir, que una severa vibración se producirá a una frecuencia levemente menor que -.+% las rpm del rotor.
El torellino (or .ist8resis es !ontrolado normalmente por la acción de amortiguación provista por los rodamientos de c!umacera en si. 4in embargo, cuando la amortiguación estacionaria es ba"a en comparación con la amortiguación interna del rotor, es probable que se presenten problemas. La 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 alg3n rodamiento de dise:o especial. En algunos casos el problema puede ser solucionado reduciendo la amortiguación dada por el rotor – sencillamente, cambiando un acoplamiento de engrana"es con una versión sin fricción/ por e"emplo, con un acop lamiento de disco fle%ible.
'uri!a!i#n Inade!uada
0na 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 seme"antes casos la lubricación inadecuada causa e%cesiva fricción entre el rodamiento estacionario y el e"e rotante, y dic!a fricción induce vibración en el rodamiento y en las demás piezas relacionadas. Este tipo de vibración se llama 9dr: ;.i(9< o sea l)ti*o se!o, y es muy parecido al pasar de un dedo mo"ado sobre un cristal seco. La frecuencia de la vibración debida al látigo seco generalmente es muy alta y produce el sonido c!illón caracterstico de los rodamientos que están funcionando en seco. @o es muy probable que dic!a frecuencia sea alg3n m3ltiplo integral de las rpm del e"e, de manera que no es de esperarse ning3n patrón significativo ba"o 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. 1uando 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.
Vira!i#n deida a A%lo5a&iento =e!)ni!o El aflo"amiento mecánico y la acción de golpeteo (mac!acado) resultante producen vibración a una frecuencia que a menudo es &%, y también m3ltiplos más elevados, de las rpm.
La vibración puede ser resultado $.; 5ernos de monta"e sueltos &.; >olgura e%cesiva en los rodamientos '.; 6isuras en la estructura o en el pedestal de soporte. La vibración caracterstica de un aflo"amiento mecánico es generada por alguna otra fuera de excitación, como un desbalance o una falta de alineamiento. 4in embargo, el aflo"amiento mecánico empeora la situación, transformando cantidades relativamente peque:as de desbalance o falta de alineamiento en amplitudes de vibración e%cesivamente altas. 1orresponde por lo tanto decir que el aflo"amiento mecánico permite que se den mayores vibraciones de las que ocurriran de por s, derivadas de otros problemas.
Nota$ 0n aflo"amiento mecánico e%cesivo es muy probable que sea la causa primaria de los problemas cuando la amplitud de la vibración &% las rpm es más de la mitad de la amplitud a la velocidad de rotación, $% las rpm.
Vira!i#n deida a las Bandas de A!!iona&iento Las bandas de accionamiento del tipo en 2A2 gozan de muc!a popularidad para la transmisión del movimiento puesto que tiene una alta capacidad de absorción de golpes, c!oques y vibraciones. Los problemas de vibración asociados con las bandas en 2A2 son clasificados generalmente por# •
=eacción de la banda a otras fuerzas, originadas por el equipo presente, que causan alteraciones.
•
Aibraciones creadas por problemas de la banda en s.
Las bandas en 2A2 son consideradas a menudo como fuente de vibración porque es tan fácil ver las bandas que saltan y se sacuden entre poleas. 5or lo general, el reemplazo de las bandas es a menudo una de las primeras tentativas de corrección de los problemas de vibración. 4in embrago es muy posible que la banda esté sencillamente reaccionando a otras fuerzas presentes en la máquina. En tales casos las banda es solamente un indicador de que ha! problemas de "ibración ! no representan la causa misma. La frecuencia de vibración de las bandas es el factor clave en la determinación de la naturaleza del problema. 4i la banda está sencillamente reaccionando a otra fuerza de alteración, tales como desbalance o e%centricidad en las poleas, la frecuencia de vibración de la banda será muy probablemente igual a la frecuencia alterante. Esto significa que la pieza de la máquina que realmente está causando el problema aparecerá estacionaria ba"o la luz estroboscópica del analizador.
Nota$ 4i es defecto de la banda la frecuencia de vibración será un m3ltiplo integral –$,&,' ó * – de las rpm de la banda. El m3ltiplo verificado dependerá de la naturaleza del problema y de la cantidad de poleas, sea de accionamiento como locas, presentes en el sistema. Es fácil determinar las rpm de una banda de la siguiente manera#
r(& de la anda > ('.$* % diám. de la polea % rpm de la polea)7 longitud de la banda.
Vira!i#n deida a Prole&as de En*rana5e
La vibración que resulta de problemas de engrana"e es de fácil identificación porque normalmente ocurre a una frecuencia igual a la frecuencia de engrane de los engrana#es – es decir, la cantidad de dientes del engrana"e multiplicada por las rpm del engrana"e que falla. 5roblemas comunes de los engrana"es, que tienen como resultado vibración a la frecuencia de engrane, comprenden el $.; Desgaste e%cesivo de los dientes. &.;
8irando 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 averas que también generan frecuencias de vibración de $% las rpm.
Desde luego, si ha! más de un diente deformado, la frecuencia de vibración es multiplicada por una cantidad correspondiente.
La amplitud y frecuencia de vibración debida a los engrana"es pueden también parecer erráticas a veces. Dic!o tipo de vibración errática ocurre normalmente cuando un con"unto de engrana"es está funcionando en condiciones de carga muy liviana. En tales condiciones la carga puede desplazarse repetidamente de un engrana"e a otro de modo irregular. @ota# Los problemas de rodamientos son predominantes en el punto de falla de los mismos, mientras que los problemas de engrana"es pueden ser detectados en dos o más puntos de la maquina.
Vira!i#n deida a ,allas El8!tri!as Esté tipo de vibración es normalmente el resultado de fuerzas magnéticas desiguales que act3an sobre el rotor o sobre el estator. Dic!as fuerzas desiguales pueden ser debidas a# $. =otor que no es redondo. &. '. *. +. B.
1!umaceras del inducido que son e%céntricas. 6alta de alineamiento entre el rotor y el estator/ entre!ierro no uniforme. 5erforación elptica del estator. Devanados abiertos o en corto circuito. >ierro del rotor en corto circuito.
En lneas generales, la frecuencia de vibración resultante de los problemas de ndole eléctrica será $% las rpm, y por tanto se parecerá a desbalance.
0na manera sencilla de !acer la prueba para verificar la presencia eventual de vibración eléctrica es observar el cambio de la amplitud de la vibración total (filtro fuera) en el instante en el cual se desconecta la corriente de esa unidad. $i la "ibración desaparece en el mismo instante en que se desconecta la corriente, el problema con toda posibilidad será eléctrico. $i solo decrece gradualmente, el problema será de naturaleza mecánica. Las vibraciones ocasionadas por los problemas eléctricos responden generalmente a la cantidad de carga colocada en el motor. 9 medida que se modifica la carga, la amplitud y7o las lecturas de fase pueden indicar cambios significativos. Esto e%plica por qué los motores eléctricos que !an sido probados y balanceados en condiciones sin carga muestran cambios drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en servicio.
