Instituto Nacional De México Instituto Tecnológico De Orizaba Departamento de metal mecánica
Ingeniería Mecánica
Materia: mantenimiento mantenimiento industrial Unidad IV alicación de las teorías de las !ibraciones Integrantes del e"uio #ernandez Martínez moises $ulido Martínez %regorio &alda'a (onilla )osé *uis
UNIDAD IV APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE LAS VIBRACIONES SUPTEMAS: 4.1. MEDICIÓN DE VIBRACIONES. 4.2. ANÁLISIS DE VIBRACIONES. 4.3. DIAGNOSTICO DE VIBRACIONES. 4.4. BALANCEO DE ROTORES. 4.5. REGISTRO Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES.
INTRODUCCION La razón principal para analizar y diagnosticar el estado de una maquina es determinar las medidas necesarias para corregir la condición de vibración – reducir el nivel de las fuerzas vibratorias no deseadas y no necesarias. De manera que, al estudiar los datos, el interés principal deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de la vibración, la determinación de las causas, y la corrección del problema que ellas representan. El siguiente material muestra los diferentes causas de vibración y sus consecuencias, lo cual nos ayudara enormemente para interpretar los datos que podamos obtener , determinado as el tipo de vibración que se presenta y buscar as la debida corrección de las mismas.
Qu !" u#$ %&'($)&*# !na manera sencilla de describir lo que es este concepto sera" el movimiento continuo y repetitivo de un ob#eto alrededor de una posición de equilibrio. La posición de equilibrio es a la que se llegará cuando la fuerza que act$a sobre el ob#eto sea cero. El fenómeno de vibración es benéfico para algunas situaciones como el caso del funcionamiento de instrumentos musicales con cuerdas como la guitarra ya que por medio de este se produce el sonido y se %ace traba#ar dic%o instrumento& sin embargo la mayora de las veces esto no resulta deseable pues en otros casos por el contrario per#udica sistemas llevándolos a perder partes, aflo#ar uniones o incluso desensamblarse por causa del mismo movimiento. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero, lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven #untas en la misma dirección y en cualquier momento. El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una combinación de movimientos individuales de ' tipos diferentes. Esos son traslaciones en las tres direcciones ortogonales (), y, z* y rotaciones alrededor de los e#es (), y, z*, cualquier movimiento comple#o que el cuerpo pueda representar se puede descomponer en una combinación de esos seis movimientos. De un tal cuerpo se dice que posee seis grados de libertad. Es importante mencionar que para poder entender lo que ocasionan los diferentes tipos de vibraciones se debe conocer sus componentes básicos que son" su masa y su fuerza restauradora.
O+($ ,$#!($ -! !/0&)$(0 es que los movimientos vibratorios en máquinas se presentan cuando sobre las piezas elásticas act$an fuerzas variables.
+eneralmente estos movimientos son indeseables, aun cuando en algunos casos se disean de manera deliberada en la máquina. El análisis de las vibraciones requiere el siguiente proceso general" Evaluar las masas y la elasticidad de las piezas a estudio. -alcular la cantidad de rozamiento actuante. dealizar el implemento mecánico real, reemplazándolo por un sistema apro)imadamente equivalente de masas, resortes y amortiguadores. Escribir la ecuación diferencial de movimiento del sistema idealizado. /esolver la ecuación e interpretar los resultados.
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El sistema ideal más sencillo consiste de una masa $nica, un resorte $nico y un amortiguador como se muestra en la figura. Este sistema se define como un sistema de un grado de libertad. Dónde: m: masa +: constante del resorte (fuerza por unidad de deformación) c: constante de amortiguamiento (fuerza por unidad de velocidad). Se supone que el amortiguamiento es viscoso, es decir, que la fuerza resistente es proporcional a la velocidad. ´ ´ ´ ,m -t.: función del tiempo x +fuerza c x + kxexterna, = f ( t ) /: desplazamiento de la masa desde la posición de equilibrio estático
Donde" $ m" masa $ %" constante del resorte (fuerza por unidad de deformación) $ c" constante de
!!" derivadas primera # segunda res ectivamente de x con res ecto a t
-ualquier sis
de describirse por medio de la misma forma de ecuación diferencial escrita anteriormente, si la fuerza del resorte es proporcional al desplazamiento y la fuerza de rozamiento es proporcional a la velocidad. 0ara el sistema general de un solo grado de libertad podemos escribir" ´´
´
me x + ce x + k e x = f (t )
Donde me,ce,1e son la masa equivalente, la constante de amortiguamiento equivalente y la constante del resorte equivalente, respectivamente. El desplazamiento 2 puede ser lineal o angular.
CARACTERÍSTICAS DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS M$#&+u-: 3agnitud Los desplazamientos oscilatorios de un ob#eto implican, alternativamente, una velocidad en una dirección y después una velocidad en dirección opuesta. Este cambio de velocidad significa que el ob#eto e)perimenta una aceleración constante, primero en una dirección y después en dirección opuesta. La magnitud de una vibración puede cuantificarse en función de su desplazamiento, su velocidad o su aceleración. 4 efectos prácticos, la aceleración suele medirse con acelerómetros. La unidad de aceleración es el metro por segundo al cuadrado (m5s6*. La aceleración debida a la gravedad terrestre es, apro)imadamente, de 7,89 m5s6. La magnitud de una oscilación puede e)presarse como la distancia entre los e)tremos alcanzados por el movimiento (valor pico: pico* o como la distancia desde alg$n punto central %asta la desviación má)ima (valor pico*. -on frecuencia, la magnitud de la vibración se e)presa como el valor promedio de la aceleración del movimiento oscilatorio, normalmente el valor cuadrático medio o valor eficaz (m5s6 r.m.s.*. 0ara un movimiento de una sola frecuencia (senoidal*, el valor eficaz es el valor pico dividido por 6. 0ara un movimiento senoidal, la aceleración, a (en m5s6*, puede calcularse a partir de la frecuencia, f (en ciclos por segundo*, y el desplazamiento, d (en metros*" a;(6, el nivel de aceleración, La, viene dado por la e)presión La ; 6? log9?(a5a?*, en donde a es la aceleración medida (en m5s6 r.m.s.* y a? el nivel de referencia de 9?:' m5s6. En algunos pases se utilizan otros niveles de referencia
(!)u!#)&$: @recuencia La frecuencia de vibración, que se e)presa en ciclos por segundo (%ertzios, Az*, afecta a la e)tensión con que se transmiten las vibraciones al cuerpo
D&(!))&*# Dirección Las vibraciones pueden producirse en tres direcciones lineales y tres rotacionales. En el caso de personas sentadas, los e#es lineales se designan como e#e ) (longitudinal*, e#e y (lateral* y e#e z (vertical*. Las rotaciones alrededor de los e#es ), y y z se designan como r) (balanceo*, ry (cabeceo* y rz (deriva*,
respectivamente. Las vibraciones suelen medirse en la interfase entre el cuerpo y las vibraciones
TIPOS DE VIBRACIONES Bamos a ver varias formas de clasificar el estudio de las vibraciones mecánicas.
V&'($)&*# 0&'(!" es cuando un sistema vibra debido a una e)citación instantánea. V&'($)&*# ($-$" es cuando un sistema vibra debida a una e)citación constante. Esta importante clasificación nos dice que un sistema vibra libre mente solo y solo si e)iste condiciones iniciales, ya sea que suministremos la energa por medio de un pulso ( energa cinética* o debido a que posee energa potencial, por e#emplo deformación inicial de un resorte. Esta energa es disipada por el fenómeno llamado amortiguación, en ocasiones es despreciable. 4un cuando la energa es disipada durante la vibración, en le caso de la vibración forzada esta descompensada por la e)citación constante.
V&'($)&*# $,(+&u$-$" es cuando la vibración de un sistema es disipada. V&'($)&*# # $,(+&u$-$" es cuando la disipación de energa se puede disipar para su estudio. El amortiguamiento es un sinónimo de la perdida de energa de sistemas vibratorios. Este %ec%o puede aparecer como parte del comportamiento interno de un material, de rozamiento, o bien, un elemento fsico llamado amortiguador.
V&'($)&*# 0&#!$0" si los componentes básicos de un sistema tienen un comportamiento lineal la vibración resultante es lineal. V&'($)&*# # 0&#!$0: se produce si alguno de sus componentes se comporta como no lineal. El comportamiento lineal de un elemento facilita su estudio, en la realidad todo elemento de comporta como no lineal pero los resultados de su estudio no difieren, en su mayora, a los realizados si se consideran como elementos lineales. con vibraciones no muy intensas, puede producirse el fallo con el tiempo de funcionamiento de la máquina, por fatiga de algunos de sus elementos. Las vibraciones se pueden clasificar de varias maneras, seg$n el concepto a estudiar. !na primera clasificación puede ser en"
0ara un sistema vibrando linealmente rige el principio de superposición y las técnicas matemáticas son relativamente sencillas y están bien desarrolladas. 0or el contrario las técnicas para sistemas no lineales son más complicadas y difciles de aplicar. Los sistemas tienden a volverse no lineales cuando crece la amplitud de su oscilación. Cambién se puede establecer una segunda clasificación de la siguiente manera"
La vibración puede ser periodica o aleatoria. La vibración periódica está caracterizada por su perodo de tiempo muy bien definido, (su inversa es la frecuencia*, figura 9?. En cambio %ay vibraciones que no tienen una forma de onda o perodo repetible caracterstico definido. Estas son las llamadas vibraciones aleatorias o random. Ber figura 9.
@igura 9 4 su vez, la vibración periódica puede ser" simple y compuesta. Denominamos vibración simple cuando en el espectro de la misma en frecuencia aparece $nicamente una sola frecuencia. 0odemos decir de forma más coloquial que la vibración simple, sólo esta compuesta por una onda. Ber figura 6. i aparecen dos o más frecuencias en el espectro la vibración es compuesta.
ACTORES QUE CAUSAN LAS VIBRACIONES MECANICAS @!E=CE DE B/4-F= La razón principal para analizar y diagnosticar el estado de una maquina es determinar las medidas necesarias para corregir la condición de vibración : reducir el nivel de las fuerzas vibratorias no deseadas y no necesarias. De manera que, al estudiar los datos, el interés principal deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de la vibración, la determinación de las causas, y la corrección del problema que ellas representan. El siguiente material muestra los diferentes causas de vibración y sus consecuencias, lo cual nos ayudara enormemente para interpretar los datos que podamos obtener , determinado as el tipo de vibración que se presenta y buscar as la debida corrección de las mismas.
V&'($)&*# -!'&-$ $ -!"'$0$#)! 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" •
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La frecuencia de vibración se manifiesta a 9) las rpm de la pieza desbalanceada. La amplitud es proporcional a la cantidad de desbalance. La amplitud de la vibración es normalmente mayor en el sentido de medición radial, %orizontal o vertical (en las maquinas con e#es %orizontales*.
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El análisis de fase indica lecturas de fase estables.
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La fase se desplazará 7?G si se desplaza el captador 7?G.
=ota" 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.
V&'($)&*# -!'&-$ $ $0+$ -! $0&#!$,&!#+ En la mayora de los casos los datos derivados de una condición de falta de alineamiento indican lo siguiente" •
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La frecuencia de vibración es de 9) rpm& también 6) 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. =ota" uno 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 la lectura radial más alta, %ay un buen motivo de sospec%ar la e)istencia de un problema de alineamiento o e#e torcido.
Los tres tipos básicos de falta de alineamiento en el acoplamiento son" angular, en paralelo y una combinación de ambos. !na falta de alineamiento angular su#eta principalmente los e#es de las maquinas accionadora y accionada a vibración a)ial igual a la velocidad de rotación (rpm* del e#e.
L$ $0+$ -! $0&#!$,&!#+ !# /$($0!0 produce principalmente vibración radial con una frecuencia igual al doble de la velocidad de rotación del e#e. V&'($)&*# -!'&-$ $ !)!#+(&)&-$La e)centricidad es otra de las causas comunes de vibración en la maquinaria rotativa. E)centricidad en este caso no significa HovalizaciónH, sino que la lnea central del e#e no es la misma que la lnea central del rotor : el centro de rotación verdadero difiere de la lnea central geométrica.
La e)centricidad es en realidad una fuente com$n de desbalances, y se debe a un mayor peso de un lado del centro de rotación que del otro. !na 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. i la amplitud se reduce gradualmente mientras el motor sigue girando por inercia, es muy probable que el problema sea debido a desbalance& si, 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 act$an contra el rotor.
D! !0!,!#+" (-$#+!" -!!)+u"" 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 m$ltiplo integral de la velocidad de rotación del e#e. La amplitud de la vibración dependerá de la gravedad de la falla del rodamiento. =ota" la vibración generada por el rodamiento normalmente no es transmitida a otros puntos de la máquina. 0or 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.
$00$ -! (-$,&!#+" 6 +($" )$u"$" Los rodamientos no fallan prematuramente a menos que alguna otra fuerza act$e sobre ellos& y tales fuerzas son generalmente las mismas que ocasionan vibración. -ausas comunes de fallas en los rodamientos de elementos rodantes" •
-arga e)cesiva
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@alta de alineamiento
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Defectos de asientos del e#e y5o de las perforaciones en el alo#amiento
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3onta#e defectuoso
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4#uste incorrecto
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Lubricación inadecuada o incorrecta
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ellado deficiente
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@alsa brinelación (deformación ba#o carga*
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-orriente eléctrica
V&'($)&*# -!'&-$ $ (-$,&!#+" -! )7u,$)!($ -!!)+u"" 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. Aolgura e)cesiva de los rodamientos !n rodamiento de c%umacera con %olgura e)cesiva %ace que un defecto de relativamente menor importancia, tal como un leve desbalance o una pequea 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 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.
