Universidad Nacional de Colombia. Rodríguez Nairo. Diagnostico de falla en una bo mba de paletas.
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Diagnostico de falla en las paletas de una bomba de desplazamiento positivo por análisis de vibraciones. Rodríguez, Nairo.
[email protected] Universidad Nacional de Colombia
Resumen — El El objetivo de este artículo es presentar el diagnostico de falla en las paletas de una bomba hidráulica de desplazamiento positivo, analizando las firmas espectrales que se generan por la vibración. Teniendo en cuenta que toda máquina dentro de sus parámetros de operación tiene niveles aceptables de vibración vibración y que cualquier cambio en su condición normal de diseño se puede ver reflejada en un aumento considerable de las vibraciones, se analiza el comportamiento vibracional vibracional de la máquina para determinar de manera acertada el estado de la falla y haciendo uso de la normatividad existente se evalúa la severidad vibratoria.
En este tipo de bombas es característico el desgaste adhesivo, se presenta presenta en dos superficies que están están en contacto deslizante, provocado por dos sólidos que se deslizan uno sobre el otro bajo presión, normalmente trae como consecuencias: reducción de la eficiencia de operación, pérdidas de potencia por fricción, incremento del consumo de lubricantes, eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados.[4]
II. BOMBA HIDRÁULICA A. Bombas hidráulicas Índice de Términos — Diagnostico, Diagnostico, Paletas, bomba Una bomba hidráulica es un dispositivo mecánico hidráulica, vibración, vibración, análisis análisis de vibración, falla. que convierte energía mecánica en energía hidráulica, el objetivo de una bomba es suministrar flujo a un sistema hidráulico, mas no crea la presión I. INTRODUCCIÓN LAS BOMBAS HIDRÁULICAS DE PALETAS, son bombas en el sistema, recordemos que la presión se genera volumétricas, compuestas, por un rotor, paletas deslizantes y por la resistencia al flujo. una carcaza, las paletas deslizan deslizan en un cilindro con ranuras ranuras radiales en el rotor, debido a la fuerza centrifuga estas son expulsadas de las ranuras, entrando en contacto tribologico con la camisa de la bomba y el fluido en movimiento[1], con el exceso de trabajo estas paletas se desgastan disminuyendo la eficiencia volumétrica de la bomba, como inicio en el estudio del desgaste de las paletas en una bomba hidráulica, se mostrara los parámetros para diagnosticar fallas en las paletas utilizando el análisis de vibraciones. Las vibraciones han sido asociadas generalmente a fallas mecánicas (desgaste, mal funcionamiento, ruido y daños estructurales), el monitoreo del nivel de las vibraciones en los equipos rotativos ha permitido estructurar mantenimientos más efectivos y menos costosos [2].
Las vibraciones en la maquinas se provocan por fuerzas excitadoras, la magnitud de la vibración en la maquina no solo depende de la fuerza sino de las propiedades del sistema y ambas de la velocidad; la vibración puede ser utilizada para identificar los defectos de diseño, fabricación, instalación o por desgaste mecánico mecánico [3].
B. Clasificación bombas desplazamiento positivo
Hay muchos tipos de bombas diferentes. Las bombas funcionan a través de dos principios básicos, desplazamiento rotodinámico y positivo [5]. Reciprocantes
Rotatorias
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Pistón Embolo Diafragma
Paletas
Aspas Pistón Miembro flexible Tornillo Engranes
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C. Bomba de paletas Las bombas de paletas consisten en un conjunto paletas alojadas en un rotor cilíndrico hueco con ranuras radiales en las que oscilan las paletas, por la fuerza centrifuga.
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B. Analisis de vibraciones
Se han desarrollado una gran cantidad de técnicas de análisis de señales de vibración, algunas de ellas utilizan la forma de onda en el dominio del tiempo, otras consideran el estudio de los componentes de espectro de frecuencia, otras analizan la forma de la órbita descrita por el rotor y algunas otras utilizan ciertos filtros que se enfocan especialmente en determinar la condición de los rodamientos. Cuando se efectúa análisis de vibración, se buscan tres componentes en la señal de vibración, amplitud, frecuencia y fase.
Figura 1. Bomba de paletas deslizantes
Frecuencia.- Es el número de oscilaciones realizadas por un objeto en un tiempo determinado; La frecuencia a la cual ocurre la vibración indica el tipo de falla.
Amplitud .- Es el tamaño de la señal de vibración, El rotor va dispuesto en forma excéntrica ésta determina la severidad de la falla; entre mayor respecto a la superficie interior del estator que es es la amplitud, mayor la vibración, mayor el cilíndrica, debido a lo cual, las paletas, durante la problema. rotación del rotor, son proyectadas contra la pista interior del anillo, por acción de la fuerza centrifuga Fase -Dos vibraciones con la misma frecuencia f y de la presión del fluido, entrando en contacto tribologico, el empuje que resulta de estas acciones (o ), pueden ser no simultáneas figura 2, es decir, permite un contacto controlado entre las paletas y la mientras que la vibración X1 empieza en t1, la vibración X2 empezará en t2, ver la siguiente pista interior del anillo [6]. figura, se dice entonces que las vibraciones están fuera de fase o desfasadas en un lapso (t2-t1). III. ANALISIS DE VIBRACIONES A. Monitoreo de vibraciones El monitoreo de vibraciones permite cuantificar las vibraciones de la superficie de la maquinaria, con mediciones realizadas de forma DISCRETA o sea, en algunos puntos de la máquina o de la estructura objeto de análisis y en forma DIRECTA, porque se mide a través del contacto entre el dispositivo de medición y la máquina [7]. Figura 2. Desfase Las bombas son uno de los equipos más utilizados Cuando se va a realizar el análisis de vibración de en procesos industriales, y muchas veces determinan la disponibilidad de todo un proceso, es una máquina es necesario tener a la mano toda la lamentable que las bombas no alcancen información de cómo esta constituída la máquina generalmente su vida útil teórica debido a desgastes (tipo de rodamientos, velocidades, número de álabes y condiciones propias del proceso, monitoreando (si aplica), número de dientes (si aplica), tipo de tempranamente los indicadores de una inminente motor, tipo de transmisión, etc. Además de conocer falla, se puede planificar adecuadamente la parada todas las piezas de la máquina, es necesario también conocer el proceso para maximizar la disponibilidad de planta y los recursos técnicos. x
Xo
X1,0
0
0
t1
(t2 - t1)
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t2
t
t
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y el rendimiento de los equipos mediante un buen mantenimiento y operación; el desconocer esta información puede arriesgar la precisión del diagnóstico. Las fuerzas de la máquina internas y externas generan cierta vibración, algunas veces la vibración es aceptable y en otras no, la aceptación para el nivel de vibraciones en velocidad esta dado por la norma ISO 10816 [8].
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figura 3. (normalmente medidas triaxiales en la tapa de los cojinetes o en los soportes). Por lo tanto, por regla general, las normas de severidad de vibraciones de maquinaria se basan en dos parámetros de la vibración: amplitud y frecuencia [9].
C. NORMATIVA
A la hora de llevar a cabo una clasificación de la severidad de la vibración en una máquina, la variable del movimiento a considerar (desplazamiento, velocidad o aceleración de la vibración) depende del tipo de norma y del rango de frecuencias a analizar.
El análisis del estado vibracional de una máquina en el rango de 10 a 1.000 Hz, se Figura 3. Medición de puntos en una maquina rotativa lleva a cabo en función de la velocidad de horizontal vibración, al resultar un parámetro prácticamente independiente de la Para la evaluación de la severidad en la bomba frecuencia en este rango, lo que facilita el llevar a cabo una medida sencilla de la tomaremos como base la ISO 10816. ―Vibración severidad de las vibraciones en una mecánica. – Evaluación de la vibración en una máquina mediante medidas en partes no rotativas‖. máquina. Cuando se trata de analizar un movimiento armónico simple, puede llevarse midiendo valores pico a pico, o valores rms, del desplazamiento en vibración. Sin embargo, para máquinas cuyo movimiento es más complejo, el uso de estos dos índices da lugar a resultados claramente diferentes debido al distinto peso aportado por los armónicos de más alta frecuencia. En máquinas rotativas con velocidad de giro dentro del rango de 600 a 12.000 RPM, el valor rms de las amplitudes de la velocidad Tabla1. Aceptación niveles de vibración ISO 10816 [10] de vibración suele corresponderse bastante bien con el nivel de severidad de la vibración. Así, la International Standards IV. DIAGNOSTICO DE FALLA Organization (ISO) [10] define como ―severidad de la vibración‖ el mayor
A. Analizador de vibraciones
valor rms de la amplitud de velocidad Para captar y analizar las frecuencias propias de la de vibración obtenido en la banda de máquina de forma continua se utilizo un analizador frecuencia 10 – 1.000 Hz y medido en unos de vibraciones Microlog Analyst SKF serie GX. En puntos preestablecidos de la estructura base a los datos recolectados por el analizador, se Premio Colombiano de Informática ACIS 2011
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determinaron los objetos de diagnóstico, los cuales permiten determinar tempranamente problemas como cavitación, desbalance, desgaste, fallas en los rodamientos, fallas en los impulsores, problemas estructurales entre otros, los datos recolectados por el analizador fueron transferidos a un software especializado para análisis de vibraciones SKF @ptitude Analyst for Microlog.
La fuerza motriz de la bomba es suministrada por un motor eléctrico marca Marathon electric, de siguientes características Tabla 3. Parámetros
Parámetros de operación
Velocidad máxima de la bomba Temperatura máxima de operación Viscosidad máxima
La bomba - motor están acoplados por un reductor, Nord modelo SK52-W, con parámetros de operación mostrados en la tabla 4.
Modelo MLX4B
Parámetros
600 RPM
(6300-21000 cSt) (30000100000 SSu) 200 psi
El diseño de estas bombas, permite lograr un alto rendimiento al utilizar tres fuerzas en su ciclo de operación, la fuerza centrifuga por la rotación del rotor, la fuerza de empuje de las varillas, al desplazamiento entre paletas y la presión del liquido que ingresa a través de los canales de las paletas impulsándolas hacia afuera, todo esto permite desplazar eficientemente el fluido con cada revolución. Este tipo de bombas tiene la capacidad de auto compensar el desgaste, ya que el desplazamiento de estas siempre será el máximo figura 4, esta característica permite que las bombas Blackmer mantengan su rendimiento por más tiempo.
Figura 4. Máximo desplazamiento paletas
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valores
Reducción 4,61 Par salida 770 N-m Potencia motor 40 Hp Velocidad motor 1750 rpm Velocidad salida 380 rpm TABLA 4. Parámetros Reductor [12]
(115-204 °C)
Diferencial de presión máximo Presión de trabajo máxima 250 psi TABLA 2. Parametros Bomba [13]
Valores
Velocidad 1762 rpm Voltaje 460 V Frecuencia 60 Hz Potencia 40 hp TABLA 3. Parámetros Motor Eléctrico [11]
B. Bomba de paletas Blackmer
Se tiene como base de estudio una bomba de paletas de desplazamiento positivo Marca Blackmer Modelo MRLX4B,
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C. Monitoreo de la bomba Teniendo en cuenta lo recomendado en la norma ISO 10816, se tomaron los siguientes puntos de medición. Motor A
Reductor B
C
Bomba D
E
F
Figura 5. Puntos de medicion
En los 6 puntos seleccionados figura 5 se tomaron datos en los tres ejes: horizontal vertical axial, en desplazamiento, velocidad, aceleración y envolvente en los puntos que aplica. Punt o Ax Ay Az Bx By Bz Cx Cy Cz Dx
Desplazamient o (Mils) 0,357 ----0,485 ----0,238 ----0,326
Velocida d (in/s) 0,029 0,040 0,029 0,061 0,089 0,046 0,095 0,067 0,075 0,101
Aceleració n (G) 0,262 ----0,341 ----0,964 ----0,963
Envolvent e gE 0,212 ----0,196 ----0,657 ----0,771
Universidad Nacional de Colombia. Rodríguez Nairo. Diagnostico de falla en una bo mba de paletas. Dy Dz Ex Ey Ez Fx Fy Fz
----0,486 ----1,285 -----
0,055 0,050 0,146 0,198 0,129 0,149 0,144 0,162
----2,731 ----3,119 -----
----2,879 ----3,212 -----
Tabla 5. Datos vibración
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rango de severidad en la zona C según norma ISO 10816 (corta operación permisible) [10]. Valores normales de vibración en velocidad en los sentidos horizontal, vertical y axial en motor figura 6, valores moderados de vibración en reductor, son influenciados por vibración proveniente de la bomba figura 7, Valores globales inferiores a 0,100 in/s, para ambos componentes
Evaluando los valores obtenidos tabla 5 se observan datos de velocidad con valores dentro del
Figura 6. Espectro en velocidad más representativo motor vertical lado acople punto By
Figura 7. Espectro en velocidad más representativo reductor horizontal acople bomba punto Dx
En este tipo de bombas se tiene un componente de eso por lo general quiere decir que hay un daño en vibración importante en la frecuencia de paso de las paletas. paletas que es igual al número de paletas por las RPM o actividad en sus armónicos múltiplos. Si la Frecuencia de giro amplitud en la frecuencia de paso de las paletas o en sus múltiplos se incrementa de manera significativa Premio Colombiano de Informática ACIS 2011
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La frecuencia fundamental 1X es la relacionada con la velocidad de giro de la bomba. Frecuencia de paso de paletas
Donde
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Analizando los datos y los espectros en velocidad tabla 5 y figura 8 se observan valores moderados de vibración en sentidos horizontal, vertical y axial en la bomba valores globales hasta 0,198 in/s, espectros dominados por múltiplos armónicos a 2X, el valor de amplitud a la frecuencia de paso 6X, no muestra relevancia, sin embargo sus múltiplos armónicos, muestran amplitudes relevantes (24X y 36X), frecuencias de falla relaciona con el paso de paletas;
Figura 8. Espectro en velocidad bomba lado acople vertical punto Ey
Analizando los datos y los espectros en envolvente relacionada con múltiplos pares de 6X, valores y aceleración tabla 5 y figura 9 se observan valores globales de hasta 3 G´s espectros asociados con altos de vibración, actividad multiarmonica desgaste de paletas de la bomba,
Figura 9. Espectro en Envolvente bomba lado libre Fx
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[9] Universidad de
Navarrensis ―Normativa sobre Vibraciones‖ Curso de doctorado Introduccion al
V. CONCLUSIONES fenomeno de las vibraciones mecanicas. Tema 7. Teniendo en cuenta las condiciones de operación [10] British Standar Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating de la bomba y analizando los espectros obtenidos en parts. IS0 10816 1995. el monitoreo, se diagnostico la falla por desgaste en [11] Marathon Electric ―Installation, Operation and las paletas de una bomba hidráulica Blackmer, la Maintenance Instructions for AC Induction Motors 56utilización de herramientas avanzadas para la toma 6800 Frames (NEMA) 63 – 280 Frames (IEC) ‖ [12] Reductores nord modelo SK52- W ―B1000 Instrucciones de vibraciones y el conocimiento de la teoría de montaje y funcionamiento para reductores y permitió dar un diagnostico acertado y a la vez motorreductores‖ puntualizar las recomendaciones al personal de [13] Blackmer power pump ―Instal lation Operation and mantenimiento: Maintenance instructions MLB4 series‖ Evaluar el estado de las paletas en la bomba, pueden presentar un avanzado estado de Autor desgaste e inspeccionar y evaluar el desgaste Nairo Julián Rodríguez Ballesteros, Estudiante a titulo de en el anillo de la bomba. Magister en Ingeniería - Ingeniería Mecánica, Universidad Ingeniero Electromecánico Verificar si las condiciones de operación de Nacional de Colombia, Universidad pedagógica y tecnológica de Colombia, las bombas en cuanto a velocidad de giro y profesional en Confiabilidad Operacional – viscosidad del fluido trasegado sean las más experiencia mantenimiento predictivo - Analisis de vibraciones, adecuadas. precomisionamiento de maquinas rotativas. Incluir el equipo en un plan de mantenimiento predictivo para evaluar el comportamiento de los valores globales y firmas espectrales, con el fin de anticipar fallas futuras y garantizar la disponibilidad. El análisis de vibraciones permitió diagnosticar la falla en las paletas, si se quiere conocer por que fallaron las paletas se debe realizar un estudio más profundo y detallado sobre las paletas y el anillo como tal. REFERENCIAS
[1] B Nesbit, ―Handbook of pumps and pumping BH),‖ first Edition 2006, Elseiver and Roles & associates pp. 37-38. [2] G. White Introducción al análisis de vibraciones AZIMA DLI, 1990-2010. [3] R. L. Eshleman ― Vibraciones Basi cas de Maquinas‖ Vibration Institute a not for profit corporation , PeruLima 2001 [4] K. G. Budinski Guide to Friction, Wear, and Erosion Testing , ASTM Stock Number: MNL56, 2007 [5] L. Nelik,‖ Centrifugal and Rotatory pumps fundamentals
with
applications‖CRC
PRESS
TJ919.N34 1999. [6] IIMPI Bomba Oleohidraulicas Departamento de diseños Hidraulicos,
[email protected]. [7] E. P. Martin , ― La medición y el análisis de vibración en el diagnóstico de máquinas rotativas ,‖Curso de analisis de vibraciones. RENOVETEC,
[email protected] [8] SKF Venezuela s.a ― Manual básico de vibraciones ‖ www.skf.com 2006. Premio Colombiano de Informática ACIS 2011
