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Introduccin al Anlisis Bsico de Maquinaria

Ronald L. Eshleman


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Vibraciones Bsicas de Mquinas

Introduccin al Anlisis Bsico de Maquinaria

Author: Ronald L. Eshleman, Ph.D., P.E.Director, Vibration Institute

Editor: Judith Nagle-Eshleman, Ph.D.Secretary-Treasurer, Vibration Institute

Traduccin al espaol: Eduardo Murphy ArteagaRepresentante en Mxico del Vibration Institute

VIPress, IncorporatedClarendon Hills, Illinois 60514


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Eshleman, Ronald L.Vibraciones Bsicas de Mquinas: Una introduccin a la prueba de maquinaria, anlisis y

monitoreo/Ronald L. Eshlemanp. cm VIPress, Inc.Incluye referencias bibliogrficasISBN 0-9669500-1-1

1. Maquinaria Monitoreo 2, Maquinaria AnlisisI. Ttulo

2002 VIPress, Incorporated, Clarendon Hills, IL 60514

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducido de ninguna manera oen cualquier medio sin el permiso escrito del editor.

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Impreso en Estados Unidos de America

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TABLA de CONTENDO

Captulo I: Vibraciones bsicas de maquinaria

Unidades de Vibracin 1.1La Naturaleza Fsica de la Vibraciones 1.2Movimiento Vibratorio 1.3Parmetros empleados para medir vibraciones 1.7La medicin de Vibraciones 1.11Medicin del Angulo de Fase 1.13Anlisis de Vibraciones 1.14Excitacin 1.16Frecuencias Naturales, Formas Modales y Velocidades Criticas 1.17Resumen de la Teora Bsica de Vibraciones 1.19

Captulo II: Adquisicin de los Datos

Seleccin del Parmetro a medir 2.2Transductores de Vibracin 2.5Accesorios de Disparo 2.11Seleccin de los Transductores 2.13Montaje de Transductores 2.14Localizacin de los Transductores 2.15Rango de Frecuencias 2.16Presentacin de los Datos en la Pantalla 2.17

Resumen de la Adquisicin de Datos 2.19Referencias 2.19

Captulo III: Procesamiento de Datos

Osciloscopios 3.1Analizador FFT 3.3Colectores de Electrnicos de Datos 3.5Muestreo de Datos 3.5Frecuencias Fantasmas (Aliasing) 3.7Ventanas Espectrales 3.8

Rango Dinmico 3.11Promediado 3.12Ajuste del Analizador FFT y Colector de Datos 3.14Resumen de Procesamiento de Datos 3.17Referencias 3.18


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Captulo IV: Diagnstico de Falla

Tcnicas de Diagnstico de Fallas 4.1Fallas a la Velocidad de Operacin 4.6Cojinetes de elementos rodantes 4.14

Cajas de engranes 4.20Motores Elctricos 4.24Mquinas Centrifugas y Axiales 4.30Bombas 4.31Ventiladores 4.36Compresores 4.39Resumen del Diagnstico de Fallas 4.40Referencias 4.41

Captulo V: Evaluacin de la Condicin de la Mquina

Vibracin en eje 5.3Vibracin en cojinetes 5.3Vibracin en carcasa 5.5Resumen Evaluacin de la Condicin de la Mquina 5.9Referencias 5.10

Captulo VI: Pruebas en Mquinas

Programacin de pruebas 6.1

Seleccin del equipo de prueba 6.3Inspeccin del sitio 6.4Pruebas de aceptacin 6.4Pruebas de lnea base o de referencia (firma espectral) 6.4Pruebas de resonancia y de velocidades criticas 6.5Pruebas de falla, condicin y balance 6.11Especificaciones 6.11Medio ambiente y montaje 6.12Presentacin de datos 6.12Reportes o formatos de reportes 6.14Resumen de Pruebas de Mquinas 6.16

Referencias 6.17


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Captulo VII: Monitoreo Peridico

Listado y Categorizacin 7.2Conocimiento de la Mquina 7.2Seleccin de la Ruta y Definiciones 7.5

Medidas y Puntos de Medicin 7.8Datos de Referencia 7.11Frecuencia de la Coleccin de Datos 7.12Seleccin de Equipos de Prueba 7.12Pantalla 7.13Tendencias 7.15Alarmas 7.16Reportes 7.17Resumen del Monitoreo Peridico 7.17Referencias 7.18

Captulo VIII: Balanceo Bsico de Mquinas Rotativas

Tipos de Desbalance 8.2Equipo de Balanceo 8.3Verificaciones Previas al Balanceo 8.4Mediciones 8.4Relacin entre el Desbalance de Masas y Angulo de Fases 8.6Seleccin del peso de Prueba 8.7Errores de Balanceo 8.7Mtodo Vectorial con Peso de Prueba 8.7

Fraccionamiento del Peso y la Combinacin 8.9Niveles Aceptables de Vibracin 8.9Resumen de Balanceo Bsico de Mquinas Rotativas 8.10Referencias 8.12


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PROLOGO

Vibraciones Bsicas de Mquinas, es un libro para principiantes en el campo de mantenimiento

predictivo que quiere comprender los fundamentos esenciales de las vibraciones en mquinas. El libro hasido desarrollado para servir como texto para un curso de cuatro dias en vibraciones de mquinas.Ejemplos adicionales y revisin de preguntas pueden ser agregados a discrecin del instructor. Losresmenes al final de cada captulo tambin pueden usarse para uno o dos das de clases de revisin.

El autor reconoce las contribuciones de datos: de Kevin R. Guy, David B. Szrom, y Nelson L. Baxter. Seaprecian los esfuerzos correccin ortogrfica de Loretta G. Twohig y Dave Butchy. El autor deseaagradecer a Ciro Martinez Trinidad por su traduccin tan excelenta al espaol de Basic MachineryVibrations; el trabajo de Joanne King en perfeccionar el manuscrito, y en el esfuerzo del repaso de EdgarAblan..

Clarendon Hills, Illinois Ronald L. EshlemanMayo, 2002


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1.1

CAPITULO I

VIBRACIONES BSICAS DE MAQUINARIA

Un analista sin los conocimientos bsicos es como una mquina mal cimentada.

Tradicionalmente, las vibraciones se han asociado con fallas en las mquinas: desgaste,funcionamiento anormal, ruido y daos estructurales. Sin embargo, en los ltimos aos, las vibraciones

han sido usadas para ahorrar a la industria millones de dlares por paros de maquinaria. La evaluacin

de los cambios en los niveles de vibracin de las mquinas se ha convertido en parte importante de la

mayora de los programas de mantenimiento. Evaluaciones similares se han empleado para resolver

problemas de diseo, as como para establecer la causa de problemas de funcionamiento anormal y fallas

crnicas.

En este captulo se tratan los fundamentos de las vibraciones mecnicas y la forma en que se

miden. Se definen las unidades y su terminologa. Se enumeran las conversiones de unidades de

amplitud y de frecuencia. Se explica el ngulo de fase entre distintos puntos medidos y su

significado. Finalmente, se describen algunas propiedades de las mquinas.

UNIDADES DE VIBRACIN

Las unidades bsicas utilizadas en este libro para describir las fuerzas de vibracin y su movimiento

son:

TABLA 1. 1

Parmetro Sistema Internacional Sistema Imperial o Ingls

Amplitudde

vibracin

Desplazamiento micrmetro Pico a Pico(m P-P)

milsimas de pulgada Picoa Pico (mils P-P)

Velocidad milmetros/segundo Cero aPico o rms( mm/s 0-P o rms )

pulgadas por segundo Ceroa Pico o rms(ips 0-P o rms)

Aceleracin metros / segundo al cuadradoCero a Pico( m/s20-P)

gs pico o rms(1 g = 386.1 in/s2)

Masa kilogramos (kg) libras masa (lbm)Fuerza Newtons (N) libras fuerza (lbf)Frecuencia ciclos por minuto (cpm)

ciclos por segundo o Hertz(cps o Hz)radianes por segundo (rad/s)

ciclos por minuto (cpm)ciclos por segundo o Hertz(cps o Hz)radianes por segundo(rad/s)

Fase o desplazamientoangular

grados sexagesimales oradianes ( o rad)

grados sexagesimales oradianes ( o rad)

Velocidad de rotacin revoluciones por minuto(rpm)

revoluciones por minuto(rpm)


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1.2

Equivalencias:

1 m = 1 x10-6m

1 g = 386.1 in/s2 = 32.2 ft/s2 = 9.81 m/s2

1mil = 0.001 in = 25.4 m

ips = inches per second = in/s (pulgadas / segundo)

rms = root mean square (valor cuadrtico medio)

Una revolucin del eje o un periodo de vibracin es igual a 360

1 radin = 180/= 57.2957...57.3

La Naturaleza Fsica de las Vibraciones

Las mquinas y estructuras vibran en respuesta a una o ms fuerzas pulsantes comnmente llamadas

fuerzas de excitacin. Como ejemplo, podemos mencionar el desbalance de masa o las fuerzas originadas

por desalineamiento. El proceso es de causa y efecto (Figura 1.1) La magnitud de la vibracin no depende

solamente de la fuerza sino tambin de las propiedades del sistema, ambas pueden depender de la

velocidad de la mquina. Las propiedades del sistema son: masa, rigidez y amortiguamiento.

La masa, es el peso

dividido entre la constante

gravitacional (ver figura 1.2a);

La rigidez, depende de la

elasticidad de los materiales del

sistema y se expresa como el

cociente de la fuerza por unidad

de deflexin (N/m, lbf/in) La

rigidez se determina aplicando

una fuerza (en N o lbf ) a una

estructura mientras que se mide

su deflexin (ver figura 1.2b);

El amortiguamiento, es la

medida de la habilidad de un sistema para disipar energa vibratoria. El amortiguamiento es proporcional

ya sea al desplazamiento, en caso de estructuras, o a la velocidad, en caso de amortiguadores tales como

los empleados por los automviles y cojinetes de pelcula de aceite o cojinetes hidrodinmicos (ver figura

1.2c)

Figura 1.1. Naturaleza de la vibracin de una mquina; Causa y Efecto.


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1.3

La causa de la vibracin es usualmente gobernada por varios factores tales como: la operacin para

la cual la mquina ha sido diseada en un proceso; tolerancias de manufactura e instalacin y defectos de

los componentes de la mquina debidas a manufactura y a desgaste. Las vibraciones pueden ser utilizadas

para identificar defectos que se originan por diseos defectuosos, fallas de instalacin y desgaste.

Movimiento Vibratorio

Existen tres caractersticas fundamentales de la vibracin son:frecuencia, amplitud y fase.

Lafrecuenciase define por el nmero de ciclos o eventos por unidad de tiempo. Se expresa en ciclos

por segundo o Hertz (cps o Hz), en ciclos por minuto (cpm), u rdenes de la velocidad de operacin si la

vibracin es inducida por una fuerza a la velocidad de giro. La velocidad de operacin de una mquina,

as como sus velocidades crticas, se expresan en revoluciones por minuto (rpm)

Elperodo (T),se obtiene de la forma de onda (amplitud vs. tiempo, Figura 1.3) y es el recproco de

la frecuencia (T = 1/f) El perodo se define como el tiempo requerido para completar un ciclo de

vibracin.

LaAmplitud (A),es el valor mximo de la vibracin en una cierta localidad de la mquina.

La Fase es la diferencia angular medida en grados o radianes entre vibraciones de la misma

frecuencia (Figura 1.4) Esta diferencia angular tambin puede medirse en unidades de tiempo. En la

figura 1.4 se observa que el pico de la vibracin registrada en el punto B (trazo superior), ocurre en el

tiempo, antes que el pico registrado en el punto A (trazo inferior) Se dice entonces, que la vibracin

registrada en el punto B est adelantada con respecto al punto A.

La fase puede usarse para determinar la relacin en tiempo entre una fuerza de excitacin y la

vibracin que causa; por ejemplo, la fuerza originada por desbalance de masa y la vibracin que genera.

Esta relacin angular puede emplearse para efectuar un balanceo de la mquina.

Al movimiento que se repite a intervalos regulares, se le llama peridico (Figura 1.3) La forma de

onda senoidal de la Figura 1.3 tiene un perodo (T) El perodo se mide en segundos o milisegundos (s o

ms)1 La frecuencia (f) es igual al inverso del perodo o 1/T La forma ms bsica del movimiento

peridico es el movimiento senoidal (comnmente llamado movimiento armnico simple) que se

representa por una senoide (Figura 1.3)

1El periodo es medido en segundos o milisegundos [1,000 milisegundos (mseg) = 1 seg, para obtener segundos a partir demilisegundos, mover el punto decimal hacia la izquierda tres lugares o dividir entre 1,000


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1.4

Figura 1.2a. Propiedad del Sistema: masa.

Figura 1.2b. Propiedad del Sistema: rigidez.

Figura 1.2c. Propiedad del Sistema: Amortiguamiento


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1.5

Figura 1.3. Vibracin Armnica de un Rotor.

Algunos movimientos vibratorios de mquinas sonarmnicos simples, como ejemplo podemos mencionar la

vibracin de una mquina debida a desbalance de masa

que ocurre a la frecuencia de la velocidad de operacin.

Sin embargo, la mayora de las mquinas tienen mltiples

componentes de frecuencias distintas que generan una

vibracin no armnica aunque s peridica, tal como la

mostrada en la Figura 1.5.

Los armnicos son mltiplos enteros (1, 2, 3, 4..) decualquier vibracin senoidal. Los rdenes son mltiplos

enteros de la frecuencia de la velocidad de operacin de la

mquina.

La amplitud de vibracin puede expresarse de varias

maneras: valor cuadrtico medio (rms), cero a pico ( 0-P) y

pico a pico (P-P) ver Figuras 1.3 y 1.5: La amplitud pico a

pico se mide en la forma de onda de picos adyacentes

positivo y negativo. Para una seal armnica simple comola mostrada en la Figura 1.3, los valores rms o pico pueden

expresarse en trminos del valor pico a pico: el valor pico

es igual a la mitad del valor pico a pico y, el valor rms es

igual a 0.707 el valor pico.

Figura 1.4.Medicin del ngulo de fase


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1.6

Figura 1.5. Espectro y Forma de Onda de un Motor.Para cualquier forma de onda no armnica tal como la mostrada en la Figura 1.5, el valor rms no

puede convertirse a valor pico ni viceversa. La amplitud positiva normalmente no es igual a la amplitud

negativa de una forma de onda no armnica. El valor pico es el valor ms grande, ya sea positivo o

negativo. En general, el valor pico a pico no ser igual a dos veces el valor pico. La multiplicacin del

valor rms por 1.414 ( 1/0.707) no es un valor pico verdadero a menos que la vibracin sea armnica; esto

es, que la vibracin sea de una sla frecuencia. Muchos instrumentos despliegan el valor pico como 1.414

veces el valor rms. Esto no es un valor pico verdadero a menos que la forma de onda sea senoidal.

Notemos que el valor rms se relaciona con la energa de la vibracin2, en una mquina. Por ejemplo, elvalor rms de la forma de onda mostrada en de la Figura 1.5 es de 0.186 ips y el valor pico es 0.416 ips.

Notemos que al multiplicar 0.186 ips por 1.414, se obtiene un valor pico igual a de 0.263 ips. Este pico

se conoce comnmente como pico derivado.

El nmero de ciclos por unidad de tiempo es la frecuencia de la vibracin y es igual al inverso del

periodo:

T = periodo, s/ciclo

f = 1/T, ciclos/s (cps)

2El valor rms puede ser definido matemticamente por la siguiente frmula: A rms = (v12+ v2

2+ v32+ v4

2+..... + vn

2), donde vison las amplitudes pico de cada armnica que compone la vibracin; n es el nmero decomponentes. El valor rms tambin puede obtenerse por circuitos elctricos analgicos especiales.

rms: 0.186


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1.7

N = 60 x f, ciclos / minuto (cpm)

La vibracin con un perodo de 11.899 ms (0.0119 s) tiene una frecuencia de 84.04 Hz o 5,042 cpm

de acuerdo a la simple ecuacin f = 1/T.

Parmetros empleados para medir vibraciones

Las medidas empleadas para evaluar la magnitud o cantidad de vibracin en maquinase muestran en

la Tabla 1.2

TABLA 1. 2

Medida Unidades Descripcin

Desplazamiento m P-P;mils P-P

Movimiento de las mquinas o estructuras, serelaciona con esfuerzo.

Velocidad

mm/s 0-P o rms;

ips 0-P o rms

Rapidez de cambio del desplazamiento, se

relaciona con fatiga.

Aceleracinm/s2 0-P o rms;gs 0-P o rms

Est relacionado con las fuerzas presentes enlas componentes de las mquinas

Desplazamiento: Es la medida dominante a bajas frecuencias y se relaciona con el esfuerzo en

miembros estructurales flexibles. Se expresa en m P-P o mils P-P debido a que, generalmente, los

desplazamientos de las mquinas son no armnicos y los picos positivos tienen magnitud distinta a los

picos negativos. El desplazamiento se usa para medir vibraciones de baja frecuencia (inferior a 1200 cpm

o 20 Hz) sobre las cubiertas de los cojinetes y en estructuras. El desplazamiento tambin se emplea

comnmente para medir el desplazamiento relativo de un eje y su cojinete o entre la carcasa de lamquina y el eje. En este caso, se usa a la frecuencia de velocidad de operacin y a rdenes de sta. La

figura 1.6 muestra el desplazamiento y la aceleracin armnicos en funcin de una velocidad constante de

0.2 ips en un rango de frecuencias de 10 a 1000 Hz. El desplazamiento para una velocidad de 0.2 ips a

600 cpm (10 Hz) es igual a 6.4 mils P-P , mientras que para 60,000 cpm (1,000 Hz) es igual a 0.064mils

P-P. Es por lo tanto difcil medir el desplazamiento a altas frecuencias debido a las bajas amplitudes de la

vibracin en relacin con el ruido de la seal.

Velocidad:Es la rapidez del cambio del desplazamiento con respecto al tiempo. Depende tanto del

desplazamiento como de la frecuencia y est relacionada con la fatiga del material. Mientras ms alto seael desplazamiento y/o la frecuencia de la vibracin, mayor es la severidad de vibracin de una mquina en

determinada localidad. La velocidad se emplea para evaluar la condicin de las mquinas en un rango de

frecuencia de 600 a 60,000 cpm (10 a 1,000 Hz)

Aceleracin:Es la medida dominante a altas frecuencias es proporcional a la fuerza sobre una

componente de una mquina, tal como un engrane y es empleada para evaluar la condicin de la


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1.8

mquina cuando las frecuencias exceden a 60,000 cpm (1,000 Hz) En la Figura 1.6 una vibracin

de 0.2 ips a 1000 Hz, es igual a una aceleracin de 3.25 gs y para 0.2 ips a 600 cpm (10 Hz), la

aceleracin es solamente de 0.03 gs. Concluimos que la aceleracin es una medida inadecuada a

bajas frecuencias debido a que la amplitud de

seal es baja.Conversin entre medidas. Una

ilustracin grfica de la relacin entre el

desplazamiento, velocidad y aceleracin

armnicos se observa en la Figura 1.7. Para

movimiento armnico los valores pico del

desplazamiento, velocidad y aceleracin

pueden calcularse empleando las relaciones

mostradas en la Tabla 1.3:

Tabla 1. 3

Velocidad = 2fD

Aceleracin = 2fV = (2f)2D

D : Desplazamiento pico (Pulgadas)

f : Frecuencia (ciclos/s)

V : Velocidad (ips)

A : Aceleracin (in/s2) (1 g = 386.1 in/s2)

Figura 1.6. Grfico de Desplazamiento yAceleracin para una Velocidad constante

de 0.2 pulg/seg.

Figura 1.7. Relaciones entre elDesplazamiento, Velocidad y Aceleracin.


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1.9

De acuerdo con la Figura 1.7, podemos observar que existe una diferencia angular de 90entre el

desplazamiento y la velocidad. La velocidad est adelantada con respecto al desplazamiento. Por otro

lado, observamos que la diferencia angular entre el desplazamiento y la aceleracin es de 180, es decir,

el pico mximo del desplazamiento ocurre medio ciclo despus en el tiempo.

Ejemplo 1.1:Convertir un desplazamiento de 2 mils P-P con una frecuencia de 1,775 cpm a

velocidad en ips 0- P y mm/s 0-P.

Solucin:

2 mils P-P = 1 mil 0-P = 0.001 in 0-P = 25.4 m 0-P

f = 1,775 cpm = 1,775 ciclos/ 60s = 29.58 cps o 29.58Hz

Velocidad = 2fD

V = 2(29.58) x 0.001 ips = 0.186 ips 0-P

La velocidad expresada en el sistema mtrico es:

V = 0.186 x 25.4 mm/s = 4.72 mm/s 0-P

Ejemplo 1.2:Convertir una velocidad de 0.15 ips 0-P a 6,000 Hz a aceleracin en gs rms y

m/s2rms

Solucin:

A = 2fV = (2f)2D

A = 2(6,000)(0.15 in/s20-P)

A = 5,655 in/s20-P

A = 5,655/386.1 = 14.65 gs 0-P

A = (14.65)x(0.7071) = 10.36 gs rms

A = 10.36 x 9.81 m/s2rms = 101.6 m/s2rms

Con el objeto de convertir aceleracin a velocidad o velocidad a desplazamiento, los trminos

correspondientes deben despejarse de las equivalencias mostradas en la Tabla 1.3. La velocidad puede

expresarse en funcin de la aceleracin y la frecuencia como sigue:

V = A/2f

El desplazamiento puede expresarse en funcin de la velocidad, aceleracin y frecuencia como sigue:

D = A/(2f)2= V/2f

Ejemplo 1.3:Convertir una aceleracin de 0.5 gs 0-P a 1,775 cpm a desplazamiento en mils

P-P y m P-P


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1.10

Solucin:

f = 1,775 ciclos/min (1 min / 60 s) = 29.58 ciclos/s = 29.58 Hz

D = Aceleracin / (2f)2

D = 0.5 gs (386.1 in/s2/g) / (2x 29.58)2

D = 0.0056 in 0-P = 5.6 mils 0-P

D = 11.2 mils P-P = 11.2 x 25.4 m P-P = 284 m P-P

Ejemplo 1.4: Convertir una aceleracin de 2 gs rms a 60,000 cpm (1,000 Hz) a velocidad en

ips 0-P y mm/s 0-P.

Solucin:

A = 2 (1.4142) 0-P = 2.828 gs 0-P

A = 2.828 x (386.1 in/s2) 0-P = 1,091.9 in/s20-P

V = 1,091.9 in/s20-P / 2(1,000)

V = 0.17 in/s 0-P = 4.41 mm/s 0-P

Ejemplo 1.5: Convertir una velocidad de vibracin de 0.2 ips rms a 120,000 cpm (120 kcpm o

2,000 Hz) a aceleracin en gs 0-P y m/s20-P.

Solucin:

f = 120,000 cpm /60 = 2,000 Hz

V = 0.2 ips rms x (1.414) = 0.282 ips 0-P

A = 2x (2,000 Hz) x (0.282 ips 0-P )/ 386.1 in/s2/g

A = 9.2 gs 0-P = 9.2 x 9.81 m/s 20-P = 90.3 m/s 20-P


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1.11

La medicin de vibracionesLa vibracin mecnica se mide con un transductor (tambin llamado pick up, captador o sensor) que

convierte el movimiento vibratorio en una seal elctrica. Las unidades de la seal elctrica son Volts (V)

o ms comnmente milivolts (mV). Hay mil mV por cada V. Para obtener V de mV, mueva el punto

decimal 3 veces a la izquierda o divida entre1000. La seal medida en V se manda a un metro,

osciloscopio o analizador. La amplitud se calcula

al dividir la magnitud del voltaje por el factor de

escala, el cual puede estar expresado en mV/mil,

mV/ips, mV/g, mV/grado, o cualquier otra

relacin de mV a unidades de ingeniera. La

figura 1.8 es una representacin esquemtica de

los tipos de los tipos comunes de transductoresdisponibles para medir la vibracin en un

sistema rotor cojinetes.

Sensores de proximidad (proximity probes) o transductores de desplazamiento del tipo no contacto o de

corrientes de eddy (corrientes de remolino)Estos sensores se sujetan a las cubiertas de los cojinetes y miden la vibracin relativa del eje con

respecto al sensor. Normalmente dos sensores se montan con una diferencia angular de 90 entre ellos

(Figura 1.9) El sensor horizontal siempre ser el que se encuentre a la derecha del sensor verticalcuando la mquina se observe desde el lado del acoplamiento al motor. Notemos que la vibracin

horizontal est adelantada a la vertical por 90 cuando la rotacin del eje es en sentido anti-horario.

Accesorios de contacto directo al eje (shaft rider)En ocasiones se requiere medir la vibracin absoluta del eje y para esto puede emplearse un vstago

con una zapata con material antifriccin que se coloca sobre el eje. (Figura 1.8)

Los transductores de velocidadMiden la vibracin absoluta de la cubierta de los cojinetes. La velocidad puede ser convertida a

desplazamiento al ser integrada electrnicamente o matemticamente por medio de un analizador de

espectros.

AcelermetrosEstos sensores miden la vibracin absoluta en m/s2o en gs. La seal puede integrarse a velocidad o

desplazamiento ( dos integraciones), sin embargo, el ruido presente en la seal constituye un problema al

tratar de integrar seales de baja frecuencia. La vibracin de un eje no puede obtenerse directamente a

Figura 1.8. Medicin de vibraciones bsica:osicin de los transductores.


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1.12

partir de una medida absoluta de un sensor colocado en la tapa del cojinete debido al sistema dinmico

que forman el eje y el propio cojinete. Un sensor de proximidad o shaft rider se requieren para medir la

vibracin del eje3.

Un ejemplo de un registro vibratorio capturado sobre una bomba de agua vertical se muestra en la

Figura 1.10. La forma de onda en mV est tomada directamente del transductor: un transductor develocidad con una sensibilidad o factor de escala de 1,000 mV/ips. El valor pico medido fue de 934 mV,

por lo tanto, la velocidad pico es igual a:

Velocidad 0-P = 934 mV / 1000 mV/ips = 0.934 ips 0-P

Pueden emplearse dos transductores para determinar el ngulo de fase entre dos localidades de una

mquina, sin embargo, la ubicacin de cada transductor debe considerarse al momento de evaluar los

datos. Los transductores axiales mostrados en la Figura 1.8 estn montados con una diferencia angular de180 por lo tanto, se deben agregar 180 a la lectura de uno de ellos.

3Si se emplea un sensor de proximidad relativo, debe medirse el desplazamiento del punto de sujecin. Una restaelectrnica de las dos seales d como resultado el desplazamiento absoluto del eje. Empleando un shaft rider ocola de pescado sobre el eje, con un transductor de velocidad o aceleracin, puede conocerse el desplazamientoabsoluto del eje una vez que se ha integrado una o dos veces la seal.

Figura 1.9a. Convencin de posiciones para medicin con Captadores de No Contacto.


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1.13

Figura 1.12.Medicin del ngulo de fase utilizando una luz

estrobosc ica.

Figura 1.11. Angulo de fase con

respecto a una seal de referencia

Figura 1.10. Forma de onda de una

bomba con rotor desbalanceado.


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1.14

Medicin del ngulo de fase

El ngulo de fase entre dos seales indica su relacin en el tiempo. Ambas pueden representar

vibracin o fuerza y su relacin puede indicar una condicin tal como desalineamiento, la frecuencia de

una velocidad crtica, o la localizacin del punto pesado en un rotor durante el proceso de balanceo.El ngulo de fase puede medirse de la forma de onda (amplitud vs. tiempo) empleando un

osciloscopio analgico o digital (Figura 1.4), por medio de un analizador de dos canales, medidor de fase

o empleando una lmpara estroboscpica. Es esencial medir con precisin la diferencia en tiempo entre

las seales para medir el ngulo de fase. En ocasiones se mide a partir de una seal de referencia generada

una vez por revolucin por un sensor estacionario, por ejemplo, un sensor ptico que observe una cinta

reflejante o un sensor de proximidad que detecte el paso del cuero (Figura 1.11) La seal de referencia

se corresponde a una posicin angular nica en el eje. El ngulo de fase de la seal de vibracin puede

medirse con respecto a esa posicin angular sobre el eje. El ngulo de fase que se relaciona con el tiemporequerido para efectuar una revolucin del eje se obtiene al multiplicar 360 por la diferencia en tiempo

de los dos eventos (seal de referencia y pico de la vibracin) y al dividir entre el perodo de la vibracin.

Este ngulo de fase se mide en forma automtica por los analizadores empleados para el balanceo.

El ngulo de fase tambin puede medirse con una lmpara estroboscpica (Figura 1.12) el disparo de

la lmpara se efecta al cruce por 0 de la seal de vibracin, es decir, cuando el voltaje cambia de

negativo a positivo. Al realizarse el disparo luminoso se visualiza una marca arbitraria colocada en el eje

y puede medirse su posicin con respecto a una escala graduada colocada en el cojinete o una parte

estacionaria del equipo.El ngulo de fase en diferentes posiciones puede medirse al reubicar el sensor de vibracin sobre la

mquina.

Anlisis de Vibraciones

Un movimiento peridico puede descomponerse en una serie de movimientos armnicos. La

vibracin peridica mostrada en Figura 1.13 puede representarse como la suma de dos vibraciones

armnicas (trazos 1 y 2) 1X y 2X.


22/163

1.15

Figura 1.13. Armnicas componentes de un

movimiento peridico complejo.

Notemos que la vibracin

a 2X tiene una frecuencia igual

a dos veces la vibracin a 1X.

La vibracin a 2X se denomina

segundo armnico de lavibracin a 1X debido a que su

frecuencia es exactamente dos

veces la de la vibracin a 1X.

Cuando la frecuencia a 1X

corresponde con la velocidad de

giro de la mquina, la vibracin

a 2X se llama vibracin de 2

ordenEl movimiento peridico

tiene una forma especfica cuando las dos componentes estn en fase como se muestra la Figura 1.13.

Si la fase de las dos componentes se cambia, la magnitud del pico de la vibracin, esto es, la

amplitud, cambiar. En general, la suma de las amplitudes individuales no es igual al valor pico de la

forma de onda peridica total. La suma de los picos de las amplitudes 1 y 2, sern iguales al pico

total de la vibracin slo cuando la componente fundamental (1X) est adelantada a la componente

de 2 orden (2X) por 45 o 225. Cualquier otra relacin angular resultar en un pico total menor que

la suma individual de sus componentes.La amplitud y la frecuencia de las componentes que constituyen una forma de onda se muestran

directamente en el espectro de frecuencias (ver Figura 1.14, trazo superior) En este grfica se despliega

amplitud vs. frecuencia. La descomposicin de una forma de onda peridica compleja en sus

componentes de frecuencia se muestra en la figura 1.15. El espectro muestra la descomposicin de la

forma de onda en las componentes armnicas que la constituyen. Las amplitudes de las armnicas

mostradas en el espectro se obtuvieron por medio de un analizador de espectros. La forma de onda no

puede reconstruirse a partir de este espectro de frecuencia a menos que el ngulo de fase de cada

componente armnica se conozca.Un analizador FFT utiliza un bloque de datos capturados durante un tiempo determinado y

relacionado a un rango de frecuencia seleccionado antes del procesamiento de los datos. Una

computadora digital que contenga un algoritmo (un procedimiento matemtico definido) lleva a cabo

la transformada rpida de Fourier (FFT) El analizador FFT despliega las componentes de la vibracin


23/163

1.16

en celdas (bins) o lneas (tpicamente 400 y mltiplos de este valor), igualmente espaciadas en un

rango de frecuencias. Las celdas pueden ser consideradas como una serie de filtros.


24/163

1.17

ExcitacinEl propsito del anlisis de vibraciones es

identificar defectos y evaluar la condicin de

operacin de las mquinas. Las frecuencias se

usan para relacionar las fallas de las mquinas conlas fuerzas que causan la vibracin. Es por lo tanto

importante identificar las frecuencias de las

componentes de la mquina y sus sistemas

antes de realizar el anlisis de vibraciones. Las

fuerzas generalmente son el resultado de

defectos o desgaste de las componentes de la

mquina o son debidas al diseo del equipo o a

problemas de instalacin tales como eldesalineamiento, pata coja o floja, solturas o

flojedad, etctera. La tabla 1.4 muestra una lista de algunas frecuencias de excitacin comnmente

asociadas con mquinas; Es importante identificar la velocidad de operacin del equipo antes de

proceder con el anlisis de las vibraciones, debido a que las fuentes de vibracin se relacionan con

su velocidad de operacin.

Figura 1.14. El espectro de frecuencias y su relacin con la forma dela onda compleja.

Figura 1.15. Anlisis de la forma de onda.


25/163

1.18

Frecuencias Naturales, Formas Modales y

Velocidades Crticas

Las frecuencias naturales se determinan por el

diseo de una mquina o de un componente. Sonpropiedades del sistema y dependen de la

distribucin de la masa y de la rigidez (ver figura

1.2). Cada sistema tiene un nmero de frecuencias

naturales, las que no son, sin embargo, mltiplos de

la primer frecuencia natural (excepto casos raros de

componentes simples) Las Frecuencias Naturales no

son importantes en el diagnstico de falla de una

mquina a menos que una frecuencia excitadora seubique cerca de una frecuencia natural o que ocurran impactos en la mquina. Si una frecuencia

excitadora es cercana a una frecuencia natural, se presenta una resonancia y los niveles de vibracin son

elevados debido a que la mquina absorbe energa con facilidad a sus frecuencias naturales. Si la

frecuencia de excitacin es un orden de la velocidad de operacin de la mquina, se conoce como

velocidad crtica. Solamente las frecuencias naturales que estn dentro del rango de frecuencias

excitacin son de inters para el anlisis de las vibraciones de las mquinas.

Figura 1.16.Forma modal de un rotor flexible.


26/163

1.19

Tabla 1. 4 Algunas frecuencias de excitacin asociadas a mquinas

Fuente Frecuencias (mltiplos de la velocidad de giro)

Inducidas por fallas

Desbalance de masa 1X

Desalineamiento 1X, 2X

Eje flexionado 1X

Soltura o flojedad mecnica Armnicas impares de 1X

Distorsin de carcasa, cimentacin obase

1X

Rodamientos antifriccinFrecuencias caractersticas, no son armnicas de lavelocidad de giro

Impactos y mecanismos de impactoMltiples frecuencias, dependen de la forma deonda

Inducidas por diseo

Juntas universales 2X

Ejes asimtricos 2X

Engrane (n dientes) nX

Coples (m mordazas) mX

Remolino de aceite 0.43X a 0.47X

labes y aspas (m) mX

Mquinas reciprocantes1/2 y mltiples armnicas de la velocidad de giro,depende del diseo

Las formas modales de un sistema se asocian con sus frecuencias naturales. La forma que asume un

sistema al vibrar a una frecuencia natural se llama forma modal. Una forma modal no proporciona

informacin sobre el movimiento absoluto del sistema, sino que consiste en deflexiones en puntos

seleccionados. Las deflexiones se determinan con relacin a un punto fijo en el sistema, normalmente

ubicado en uno de los extremos del eje. El movimiento absoluto puede determinarse nicamente cuando

las fuerzas de vibracin y amortiguamiento se conocen. Un ejemplo de forma modal de un rotor flexible

se muestra en la figura 1.16. Los modos de rotores rgidos se determinan por la flexibilidad de los

cojinetes. Los rotores flexibles pueden vibrar en modos con movimiento lateral, torsional y axial. La

forma modal en donde el movimiento es nulo se conoce como un nodo. Obviamente los transductores

no deben montarse cerca o en un nodo.


27/163

1.20

RESUMEN DE LA TEORA BSICA DE VIBRACIONES

Las tres caractersticas importantes de la vibracin son: frecuencia, amplitud y fase.

La frecuencia es el nmero de ciclos por unidad de tiempo.

El perodo es el tiempo requerido por un ciclo de vibracin y es el recproco de la frecuencia.La amplitud es el mximo valor de vibracin en una localidad dada de una mquina. Para el

desplazamiento se expresa en m o mils; para velocidad en mm/s o ips (inches per second); para la

aceleracin en m/s2o gs.

La amplitud de vibracin se expresa en unidades de cero a pico (0-P), pico a pico (P-P), o rms (root

mean square, valor cuadrtico medio)

El valor cero a pico y rms se emplean con velocidad y aceleracin. El valor de desplazamiento se

expresa en amplitud pico a pico.

Las medidas de vibracin -desplazamiento (esfuerzo), velocidad (fatiga), aceleracin (fuerza)-pueden convertirse una a otra si la vibracin es de una sola frecuencia (armnicos)

El ngulo de fase es la relacin en tiempo entre vibraciones y/o fuerzas de la misma frecuencia.

Una fuerza o frecuencia de excitacin causa vibracin. La vibracin siempre est retrasada con

respecto a la fuerza que la genera.

Las fuerzas vibratorias se generan por variables de procesos, diseo inadecuado, mala instalacin y

defectos en la fabricacin o desgaste.

Las vibraciones se analizan por medio de formas de onda y en el espectro de frecuencias.

Las frecuencias naturales son una propiedad del sistema mecnico y dependen de la masa y de larigidez.

La resonancia ocurre cuando la frecuencia de una fuerza de excitacin es igual o cercana a una

frecuencia natural.

Una velocidad crtica es una resonancia especial en una mquina rotatoria.

La vibracin se amplifica en la resonancia.


28/163

2.1

CAPITULO II

ADQUISICIN DE DATOS

Las decisiones sern tan acertadas como los hechos en que se han basado.

Los registros de vibracin

se obtienen de una mquina

por medio de un transductor

que convierte la vibracin

mecnica a una seal

elctrica de voltaje (Figura

2.1) La calidad de la seal

obtenida de la mquina,

depende del transductor

seleccionado as como de laforma en que se monta y de

su ubicacin.

La correcta adquisicin de

datos de vibracin es la clave

para realizar un monitoreo de

mquinas efectivo, llevar a

cabo un diagnstico de falla,

evaluar la condicin y

realizar pruebas de aceptacin. La adquisicin de datos de buena calidad requiere de unaplaneacin que involucra: la mquina, la naturaleza de los datos de vibracin esperados, la

instrumentacin disponible y el propsito de la prueba.

Antes de realizar la adquisicin de datos, el analista debe formular un plan tcnica y

econmicamente viable basado en el propsito de los datos a adquirir (esto es, monitoreo,

diagnstico, evaluacin de condicin o pruebas de aceptacin) Los tpicos considerados en este

captulo incluyen la seleccin de la medida de vibracin (desplazamiento, velocidad o aceleracin),

el transductor, su montaje y su ubicacin. Debido a que los datos se digitalizan en forma previa a

su almacenamiento, los tiempos de adquisicin y tamao de muestra tambin deben considerarse de

tal forma que los despliegues adecuados de la informacin sean adecuados para el anlisis y la

evaluacin. La clave para un trabajo de calidad en el campo de vibraciones es una adecuada

adquisicin de datos.

Figura 2. 1. Adquisicin de datos de una mquina.


29/163

2.2

Seleccin del parmetro a medirUna medida es una unidad o estndar de medida que provee un medio para evaluar los datos. Tres

parmetros de vibracin estn disponibles: desplazamiento, velocidad y aceleracin. Idealmente, el

transductor proporcionara el parmetro medido en forma directa, sin embargo, las limitaciones deltransductor no siempre permiten la medicin directa de la vibracin en el parmetro adecuado.

El parmetro a medir se selecciona en funcin del contenido de frecuencia de la vibracin presente, del

diseo de la mquina, del tipo de anlisis que se efectuar (fallas, condicin, informacin de diseo) y

la informacin buscada.

El desplazamiento absoluto,que se emplea para medir vibracin estructural de baja frecuencia (de 0 a

20 Hz), est relacionado con el esfuerzo (eje o estructura) y tpicamente se mide con un acelermetro

con doble integracin. El desplazamiento absoluto, de un eje debe ser medido por medio de un

transductor de contacto o un transductor de no contacto en combinacin con un transductor ssmico,sin embargo, la frecuencia debe ser considerada cuando la severidad del desplazamiento o de

aceleracin se evalen.

El desplazamiento relativo de un ejede mide con un sensor de proximidad y muestra la vibracin del

eje con respecto al cojinete. Se emplea en un rango de frecuencia amplio.

Para monitoreo general de maquinaria y anlisis con un rango de 10 a 1,000 Hz, la velocidad,es el

parmetro predeterminado. La velocidad, como razn de cambio del desplazamiento con respecto al

tiempo, depende de la frecuencia y del desplazamiento y se relaciona con la fatiga. Se ha demostrado

que es una buena medida en el rango de 10 a 1,000 Hz porque un valor nico expresado en rms o ceroa pico puede usarse para evaluaciones gruesas de la condicin sin necesidad de considerar a la

frecuencia. La mayora de los colectores de datos modernos emplean acelermetros, por lo que la

seal se integra para obtener velocidad.

La aceleracines el parmetro empleado para frecuencias superiores a 1,000 Hz. Se relaciona con la

fuerza y es usado para medir altas frecuencias tales como frecuencias de engranaje y defectos en

rodamiento antifriccin.

La aceleracin y la velocidad son medidas absolutas que se toman sobre la caja del cojinete o tan cerca

a ste como sea posible. El desplazamiento relativo entre la carcasa y el rotor, tpicamente se mide pormedio de un sensor de proximidad instalado en forma permanente. Algunas aplicaciones generales de

los parmetros a medir y el rango de frecuencias aplicables se muestran en la Tabla 2.1. Los rangos de

frecuencia predeterminados para colectores de datos se muestran en la Tabla 2.2. Varios parmetros a

medir que dependen de la mquina, se listan en la Tabla 2.3.


30/163

2.3

En resumen, la seleccin de un parmetro (desplazamiento, velocidad o aceleracin) para evaluar fallas

o condicin de mquinas, se basa en los rangos de frecuencia tiles del parmetro medido (Tabla 2.1),

del rango de frecuencias predeterminado (Tabla 2.1 ) y de la aplicacin (Tabla 2.3)

Ejemplo 2.1: Seleccione un parmetro o parmetros de medida para una caja de engranes de reduccin

sencilla de 9 MW descrito en la Tabla 2.3.

La caja de engranes est equipada con cojinetes hidrodinmicos y es suficientemente grande (mayor de 500

HP) para justificar la instalacin permanente de sensores de desplazamiento de no contacto para evaluar la

posicin del eje dentro del cojinete y la relacin amplitud de vibracin a claro del cojinete. El analista

podr entonces evaluar la severidad de la vibracin del eje. Debido a que la frecuencia de engranaje (3,000

Hz) es mayor a 1,000 Hz (ver Tabla 2.1), la aceleracin de la carcasa debe ser monitoreada y analizada. Un

rango de frecuencia hasta 10,000 Hz (ver Tabla 2.2) se debe monitorear en trminos de aceleracin, y las

componentes de 75,000 cpm (entrada, eje de alta) y 12,000 cpm (salida, eje de baja), en trminos de

desplazamiento a partir de los sensores de proximidad.

Ejemplo 2.2: Seleccionar el parmetro o parmetros a medir para un rodillo secador. La velocidad

de giro es de 300 rpm. El rodillo de varias toneladas est montado en rodamientos antifriccin con

26 elementos rodantes.

Debido a que el rodillo opera a baja velocidad, el desbalance de masa no es de consideracin ya que

la fuerza es baja. La frecuencia caracterstica mayor del rodamiento es la que corresponde a la

frecuencia de defecto de falla de la pista interna (BPFI) y puede aproximarse de acuerdo a la

siguiente ecuacin:

BPFI = 0.6 x velocidad de giro x (No. de rodillos) = 0.6 x 300 x 26 = 4,680 cpm (78 Hz)

De la tabla 2.2 se observa que el rango de frecuencia debe ser igual a: 10 x BPFI = 10 x 4680 =

780 Hz. Por lo tanto, y de acuerdo a la Tabla 2.1, este valor puede ser cubierto en trminos de

velocidad.


31/163

2.4

Tabla 2. 1.Parmetros empleados para medicin de parmetros en mquinas

ParmetroRango til defrecuencias

Parmetrofsico

Aplicaciones

Desplazamientorelativo

0 1,000 HzEsfuerzo y

movimientoMovimiento relativo del eje en cojinetes o

carcasas

Desplazamientoabsoluto 0 20 Hz

Esfuerzo ymovimiento

Movimiento estructural

Velocidad 10 1,000 HzEnerga y

fatigaCondicin general de la mquina yvibraciones de frecuencias medias

Aceleracin > 1,000 Hz FuerzaCondicin general de la mquina y

vibraciones de frecuencias medias y altas

Ejemplo 2.3: Seleccione parmetro(s) a medir para un motor de induccin de 200 HP, 4 polos, con 8

elementos rodantes en sus rodamientos antifriccin.

La vibracin a la velocidad de operacin tiene una frecuencia cercana a 1,800 cpm (30Hz) y un rango defrecuencia de 300 Hz, el cual se ubica dentro del rango de velocidad. El rango de frecuencia del rodamiento

es: 10 X BPFI = 10 X 0.6 X 8 X 1,800 cpm= 86,400 cpm (1,440 Hz)

Debido a que la mayor parte de la actividad se encuentra en el rango cubierto por velocidad, puede

emplearse un transductor de velocidad (o un acelermetro con integracin sencilla) a pesar de que

exista alguna actividad arriba de 1,000 Hz. Los rangos de frecuencia tiles para las medidas empleadas

se traslapan, por lo tanto, la medida debe seleccionarse de acuerdo a la porcin de frecuencia

predominante del componente. Por ejemplo, si el rango de frecuencia predeterminado para el

rodamiento hubiese sido 2,880 Hz (16 elementos rodantes), el parmetro de aceleracin, se hubiese

seleccionado para los rodamientos, sin embargo, el rango de frecuencia de 300 Hz para el rotor, an seubica dentro del rango de velocidad; por lo tanto, dos medidas, velocidad y aceleracin, se requeriran.

Tabla 2. 2 Rangos de frecuencia predeterminados para colectores de datosComponente Rango de frecuencia

Vibraciones del eje 10 X velocidad de giro

Cajas de engranes 3 X frecuencia de engranaje

Rodamientos de elementos rodantes(rodamientos antifriccin)

10 X BPFI

Bombas 3 X Paso de labes

Motores y Generadores 3 X 2 FL (frecuencia de lnea)

Ventiladores 3 X Paso de aspas

Cojinetes cilndricos o comunes 10 X velocidad de giro


32/163

2.5

Transductores de Vibracin

La informacin sobre la vibracin se adquiere por transductores colocados en posiciones ptimas

sobre un sistema mecnico. Los transductores convierten las vibraciones mecnicas a seales

elctricas que se acondicionan y

procesan con una amplia variedad deinstrumentos.

Estos instrumentos proveen la

informacin necesaria para realizar un

monitoreo de condicin, verificar el

desempeo, diagnosticar fallas e

identificar parmetros. La magnitud, la

frecuencia y el ngulo de fase entre dos

seales se emplean para efectuar una

evaluacin.

La seleccin del transductor est basada

en la sensibilidad, el tamao, la medida

seleccionada, la respuesta a la frecuencia

y el diseo y velocidad de la mquina.

La respuesta de cualquier instrumento,

incluyendo los transductores, determina

la calidad de respuesta del instrumento a un estmulo (voltaje o vibracin) a una frecuencia dada. Los

analistas desean una frecuencia plana en el rango de frecuencias observado. Provee el transductor una

seal elctrica que es proporcional a la vibracin que est midiendo? Desafortunadamente, la respuesta

es no en algunos casos. En la Figura 2.2. por ejemplo, se observa que la curva de respuesta para un

sensor de velocidad no es plana. A bajas frecuencias presenta atenuacin, esto es, su respuesta es menor

a una seal de la misma fuerza que la que tiene a frecuencias mayores a 20 Hz. Esto significa que si el

mismo factor de escala de 484 mV/ips se emplea en todo el rango de frecuencia, las amplitudes a bajas

frecuencias sern menores que las reales. Las curvas de respuesta a la frecuencia (amplitud vs.

frecuencia) tales como las mostradas en la Figura 2.2, tpicamente se proveen por el fabricante del

transductor.

La sensibilidad del transductor es la relacin del voltaje de salida a una vibracin de entrada dada; porejemplo, 200 mV/mil, 500 mV/ips, 100 mV/g. Cuanto mayor es el voltaje de salida por unidad de

ingeniera de entrada, mayor ser la sensibilidad del transductor.

Figura 2. 2 Frecuencia de respuesta de algunostransductores de velocidad.


33/163

2.6

Sensores de proximidad. El sensor de proximidad (sensor de desplazamiento de no contacto, de

corrientes de remolino eddy) mostrado en la Figura 2.3, mide el desplazamiento esttico y

dinmico de un eje con respecto a la caja del cojinete. En varias mquinas se monta en forma

permanente para monitoreo continuo (proteccin) y anlisis. La aplicacin de los sensores de

desplazamiento relativo para medir las vibraciones en las direcciones radial y axial se cubren endetalle en la norma API 670 rotores livianos instalados en carcasas robustas tales como turbinas,

compresores, etctera. Debido al peso y la rigidez de la carcasa, la alta vibracin del rotor liviano no

afectar mucho al incremento de la vibracin de la carcasa; en estos casos es necesario medir la

vibracin real del eje con los captadores de proximidad. Las aplicaciones de estos captadores en la

medicin de las vibraciones en las posiciones axial y radial son tratadas en detalle en el API 670 [1].

Tabla 2. 3 Seleccin de Medidas para varios tipos de Equipos1

MquinaPotencia

(HP/Mw)

Giro (RPM)

Frecuencias (Hz)

Tipo de

CojineteMedida

Transductor

esCaja de

engranajes desimple

reduccin

9 Mw7,500 RPM input1,200 RPM output

GM = 3,000 Hz

pelcula deaceite

desplazamiento del eje2aceleracin de la

carcasa3

captador deproximidad

acelermetro

Caja deengranajes de

doble reduccin400 HP

1,800 RPM input200RPM out putGM=375.725 Hz

rodamientosde 15

rodillosaceleracin y velocidad

acelermetroo velocidad

Turbina a vapor18,000

HP5,000 RPM

pelcula deaceite

desplazamiento del ejecaptador deproximidad

Turbina a vapor 500 Mw 3,600 RPM

pelcula de

aceite desplazamiento del eje

captador de

proximidad

Turbina a gas 50 Mw 9,000 RPMpelcula de

aceite

desplazamiento del ejeaceleracin de la

carcasa


acelermetroMotores deInduccingrandes

4,000 HP 3,600 RPMpelcula de

aceitedesplazamiento del eje


Motores deInduccin

200 HP 1,800 RPMrodamiento

de 08rodillos

velocidad de la carcasaacelermetroo velocidad

Motores Diesel 400 HP 1,800 RPM

pelcula de

aceite velocidad de la carcasa

acelermetro

o velocidad

Bombascentrfugas dealta eficiencia

18,000HP

5,000 RPMpelcula de

aceite

desplazamiento del ejey velocidad de la

carcasa




34/163

2.7

Continuacin Tabla 2.3. Seleccin de Medidas para varios tipos de Equipos1

MquinaPotencia(HP/Mw)

Giro (RPM)Frecuencias (Hz)

Tipo deCojinete

MedidaTransductor

es

Bombas

centrfugas

200 HP 1,800 RPMrodamiento

de 12

rodillos

velocidad de la carcasa acelermetro

Bombasreciprocantes

200 HP 300 RPMrodamiento

de 15rodillos


CompresoresCentrfugos

1,000 HP 5,000 RPMpelcula de

aceitedesplazamiento del eje


CompresoresReciprocantes

500 HP 480 RPMpelcula de

aceitevelocidad de la carcasa


Dryer Roll 300 RPMrodamiento

de 26rodillos


1 Solamente medidas convencionales, HFD, deteccin de envolventes y otras tcnicas especiales noincluidas.

2 Eje = Vibracin relativa del eje.3 Carcasa = Caja de cojinetes

La sonda o probeta est constituida por unabobina plana protegida por un plstico noconductivo o un material cermico, la cual seubica en el extremo de un cuerpo metlicoroscado. Un oscilador demodulador, tambinconocido como driver o proximitor, serequiere para excitar la sonda para unafrecuencia de 1.5 a 2 MHz. El campomagntico resultante, se rada de la punta de lasonda. Cuando se aproxima un eje a la sonda,se inducen corrientes de remolino sobre el ejeque extraen energa del campo y su magnituddecrece. Esta disminucin en la amplitud,genera una seal de CA, directamente

proporcional a la vibracin. El voltaje constantedel oscilador demodulador, vara en proporcin ala distancia que existe entre la punta de la sonday el material conductor. La sensibilidad de la

sonda es generalmente de 200 mV/mil (8 mV/m) dentro de un rango de 0 a 80 mils ( 0 a 2 mm) Eloscilador demodulador requiere una alimentacin de voltaje negativo de 24V CD; la sonda debe estarblindada y aterrizada.

Figura 2. 3a. Captador de Proximidad.Cortesa de Bently Nevada Corporation


35/163

2.8

La sensibilidad de los captadores es generalmente 200 mv/mil (8 mv/m) por separacin o gap

de 0 a 80 mils. El oscilador demodulador requiere el suministro del voltaje negativo de 24 V DC,

el sensor debe ser blindado y con puesta a tierra.

Figura 2.3b. Captador de Proximidad montado en elalojamiento de cojinetes.

Figura 2.3c. Esquema de funcionamiento delCaptador de Proximidad.


36/163

2.9

Figura 2.4b. Curva de Factores de Correccin parael Transductor ssmico de velocidad IRD 544.

Transductores de Velocidad. Estos sensores (ver figura 2.4a) son auto excitados o sea que no

requieren suministro de energa para

trabajar, se llaman tambin sensores

ssmicos porque interiormente tiene

una bobina suspendida con dos resortesdentro de un campo magntico fijo.

Al existir movimiento relativo entre el

imn permanente y la bobina se genera

una seal elctrica que responde

directamente a la velocidad de la

vibracin. Son utilizados para medir

las vibraciones en los alojamientos de

los cojinetes en el rango de frecuencias de 10 hasta 2,000 Hz.

Un transductor de velocidad tpico genera 500 mV/pulg/seg, excepto para frecuencias

inferiores a 10 Hz (ver figura 2.2).

La sensibilidad baja para

frecuencias inferiores de 10 Hz,

porque la bobina ya no se queda

fija en el espacio sino que tiende a

seguir el movimiento del imn

permanente entonces las lecturas

deben ser corregidas por un factor

(>1) que depende de la frecuencia

(ver figuras 2.2 y 2.4b).

Figura 2.4a.Transductor Ssmico de Velocidad.


37/163

2.10

Acelermetros. Son sensores utilizados para medir los niveles de vibracin en carcasas y

alojamientos de cojinetes, son sensores que tpicamente se suministran con los colectores de

datos. El acelermetro consiste en una pequea masa montada sobre cristales piezoelctricos que

producen pequeas seales elctricas proporcionales a la aceleracin cuando hay una fuerza

aplicada (ver figuras 2.5a y 2.5b). Para poder medir la pequea seal elctrica generada por loscristales piezoelctricos los acelermetros tienen incorporados amplificadores electrnicos de

alta ganancia, por ejemplo el acelermetro IRD 970 tiene una sensibilidad de 50 mV/g.

El tamao de un acelermetro es

proporcional a su sensibilidad: Un

acelermetro, tan pequeo como un borrador de

lpiz tiene una sensibilidad de 5 mV/g y una

respuesta plana hasta 25 kHz. Un acelermetro

de 1,000 mV/g que es utilizado para

mediciones a bajas frecuencias, puede ser tan

grande como un transductor de velocidad y

tener una respuesta plana hasta 1,000 Hz. El

analista debe tener cuidado de las caractersticas

de cada acelermetro antes de utilizarlos.

Si se desea medir velocidad de vibracin, la seal es usualmente integrada antes de ser

registrada o analizada, en la figura 2.7 se muestra un integrador anlogo y suministrador de

potencia, este accesorio tiene su propiafrecuencia de respuesta caracterstica y una

determinada disminucin a bajas frecuencias.

Como la aceleracin es una funcin del

desplazamiento y la frecuencia al cuadrado

(Aceleracin = 2fV = (2f)2D), los

acelermetros son sensibles a las amplitudes

de la vibracin a altas frecuencias debido a

esta caracterstica es particularmente til

para monitoreo fijo debido a su larga vida y

su baja sensibilidad cruzada (la sensibilidad

cruzada significa que el transductor genera

Figura 2.5a. Acelermetro y Suministrador dePotencia.

Cortesa de PCB Piezotronics Inc

Figura 2.5b. Esquema del Acelermetro conamplificador incorporado.


38/163

una se

la long

Acceso

Cuando

el giro d

utilizan

sincroni

rotativo

la adqui

adquirid

disparad

accesori

algunos

ngulo d

(ver figu

Figur

al en la dir

itud del ca

ios de dispa

es ventajoso a

el eje o con l

los accesori

ado a la frecu

ue enva una

sicin de lo

s en la mis

r enve una s

de disparo

de sus mlti

e fase entre la

ra 1.11).

2.6. Martillde fuer

ccin X por

le y la sen

cu

T

m

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39/163

2.12

Sensores pticos. Los sensores pticos (ver figura 2.8) son a menudo utilizados para obtener una seal de

referencia por revolucin del eje, el cual es requerido para medir

el ngulo de fase entre la marca de referencia que gira a las RPM

del eje y una seal filtrada de vibracin a la frecuencia de giro

del eje. El rayo de luz que sale del sensor ptico se refleja en lacinta reflectante pegada al eje una vez por cada revolucin, el

sensor enva un pulso de voltaje al analizador (ver figura 1.11) y

este compara la seal de la cinta reflectante con otros eventos;

por ejemplo, otras cintas reflectantes en el eje, picos de vibracin

filtrada a la misma frecuencia o su propia seal para determinar

las RPM del eje.

Los sensores pticos tambin pueden ser utilizados para determinar la diferencia de tiempos entre

dos cintas reflectantes separadas y ubicadas en la misma posicin angular de un eje, esta medida es lavibracin torsional del eje. El sistema ptico incluye el sensor, cinta reflectante en el eje y el

amplificador con el suministrador de potencia.

Sensores Magnticos. Son sensores autoexcitados (ver figura 2.9), pueden ser utilizados como un accesorio de un

disparador porque emite un pulso de voltaje cuando el sensor se acerca a

una discontinuidad por ejemplo, la protuberancia de una chaveta en el eje;

el sensor generalmente se ubica a una distancia de 20 mils de la

discontinuidad ms elevada del eje. Los sensores magnticos son utilizados

para medir las vibraciones torsionales, porque producen una serie de pulsosde voltaje proporcionales a las RPM del eje. Si las vibraciones torsionales

estn presentes, el tiempo entre pulsos vara producindose una frecuencia

modulada.

Una desventaja del sensor magntico es el acondicionamiento de la

seal que algunas veces es complicado porque la magnitud del voltaje

depende de la velocidad del eje; los sensores de proximidad

proporcionan la misma funcin de disparo sin sta desventaja.

Figura 2.8. Sensor ptico.Cortesa de Monarch Instrument

Figura 2.9. SensoresMagnticos.


40/163

2.13

Luz Estroboscpica.La luz estroboscpica es utilizada para medir la velocidad de giro del eje o el ngulo de

fase en conjuncin con un sensor de vibracin (ver figura 1.12). Para medir las RPM del eje, la frecuencia de

encendido de la luz se vara lentamente hasta llegar a sincronizar con las RPM y el eje se observar como si

disminuyera su velocidad hasta quedar estacionario. Para medir el ngulo de fase, el encendido de la luz

estroboscpica ocurre cuando la seal vibratoria cambia de menos a ms, esto significa que el punto mselevado estar siempre adelantado 90 con respecto al encendido de la luz.

Seleccin de los transductores

Las consideraciones ms importantes en la seleccin de los transductores son; frecuencias de respuesta,

proporcin de seal y ruido, sensibilidad del

transductor y magnitud de la seal que va ha ser

medida. El rango de frecuencias del transductor

debe ser compatible con las frecuencias generadas

por los componentes mecnicos de la mquina, delo contrario se debe seleccionar otro transductor y la

seal convertida a sus propias unidades de

medicin; por ejemplo, si la medicin de velocidad

es decidida para frecuencias superiores a 2,000 Hz,

se debe seleccionar como transductor a un

acelermetro y para obtener

velocidad se debe integrar la seal; si se desea la

forma de onda de la velocidad, entonces la seal

debe ser adquirida de un transductor de velocidad ode una seal integrada a partir de un transductor de

aceleracin.

Los colectores de datos son suministrados

usualmente con un acelermetro debido a su rango de frecuencias de respuesta y por ser pequeos. El rango de

respuesta es determinante para que el usuario no trate de medir las vibraciones en un rango de frecuencias para el

cual el colector no responde apropiadamente; por ejemplo, un colector tpico que responde hasta una frecuencia de

8kHz y una caja de engranajes tiene una frecuencia de engrane de 10 kHz entonces la seal estar fuera del rango

de medicin del colector. La aceleracin es medida por muchos colectores que proporcionan lecturas en

aceleracin o velocidad, los parmetros seleccionados dependen del criterio escogido.El cable que transmite la seal al colector de datos puede causar errores de lectura; Los cables estndar

especialmente fabricados son ms convenientes que los cables coaxiales estndar por ser ms flexibles y

resistentes a la rotura por concentracin de esfuerzos localizados al curvarse en las tomas vibracionales o al ser

empacados para el transporte.

Figura 2.10. Rangos de frecuencia de acuerdo con elmtodo de montaje


41/163

2.14

Adicionalmente, las terminales deben ser manipuladas cuidadosamente; muchos fabricantes de

acelermetros suministran los conectores roscadosAmphenol 97seriesTMque pueden aflojarse en el

campo causando el giro y su posterior rotura. Se puede aminorar este tipo de fallas aplicando

LoctiteTM a todas las conexiones roscadas cuando son nuevas. Un cable de repuesto es siempre

necesario, estos cables son conectores de computadoras y deben ser manipulados con cuidado.

Montaje de Transductores

El mtodo utilizado para montar el transductor de vibracin, afecta la curva de respuesta del sensor,

porque la frecuencia natural del acelermetro disminuye dependiendo del mtodo de montaje empleado (ver

figura 2.10). El mtodo de montaje seleccionado debera proporcionar una respuesta plana en el rango de

frecuencias que se desea analizar (ver tabla 2.4). Los datos por montaje de los transductores estn disponibles

en [3], ver tabla 2.4 el montaje con esprrago sobre una superficie plana de buen acabado y limpia proporciona

la frecuencia ms elevada de respuesta, la respuesta disminuye progresivamente para; cera de abejas,

pegamento epxico y base magntica. La confiabilidad ms baja de las lecturas se obtiene con la sonda manual

de 9 pulgadas, cada acelermetro con el mtodo de montaje elegido tiene una nica frecuencia natural y un

rango de frecuencias de trabajo.

Tabla 2. 4 Rango de frecuencias aproximadas para un acelermetro de 100 mv/g desensibilidad

Mtodo de Montaje Lmite de Frecuencias CPM

Sonda de 9 pulgadas 30,000

Magntico 120,000

Pegamento epxico 150,000 a 240,000Cera de abejas 300,000

Esprrago 360,000 a 600,000


42/163

2.15

Figura 2.12. Posiciones de medicin en la zona de carga.

Localizacin de los Transductores

La clave para lograr precisin de las lecturas de vibracin es localizar los transductores en puntos estratgicos

donde responda a la condicin de la mquina o tan cerca de los cojinetes como sea posible, en la figura 2.11 se

observa los puntos ptimos de montaje de los

transductores para la adquisicin de datos. Lasposiciones horizontal y vertical a la lnea central del

cojinete son utilizadas para detectar las vibraciones

causadas por fuerzas radiales tal como el

desbalance. En la figura el peso del rotor causa una

zona de carga en la parte inferior, la posicin axial

es utilizada para detectar las vibraciones causadas

por fuerzas axiales. Los sensores deben ser

instalados lo mas cerca de los cojinetes, si lasuperficie exterior de los alojamientos de cojinetes

es de difcil acceso , se deber identificar el lugar

ms significativo para el

registro ptimo de

informacin, desde el eje

hasta el punto de registro,

evitando la transmisin a

travs de planchas delgadas,

guardas y empaquetaduras.

Si los rodamientos son

radiales las lecturas de

vibracin deben ser radiales

y si es de contacto angular

la lectura debe ser axial,

siempre se debe considerar

el lado de carga delrodamiento. En la figura

2.12 se muestra las posiciones

del transductor recomendadas para una mquina tpica. El detalle del diseo interno es necesario para

determinar el tipo de cojinete y el camino ptimo de transmisin de la seal vibratoria. Cuando los cojinetes

Figura 2.11. Puntos ptimos de Medicin


43/163

2.16

son inaccesibles, los transductores pueden ser montados y luego cableados a una caja de conexiones que

permitan los registros de vibracin fcilmente.

La tolerancia diametral interna existente en los cojinetes de baja velocidad y de altas cargas -

tpicamente los rodamientos de rodillos esfricos permite el contacto solamente en el lado de carga del

ensamble de la pista interior, rodillos y pista exterior.En general las lecturas radiales son tomadas en los cojinetes radiales o rodamientos de contacto angular

igual a 0, estos cojinetes son utilizados en motores elctricos, ventiladores medianos y ligeros y en unidades

de transmisin de potencia no sujetas a cargas axiales.

El cojinete de contacto angular o cualquier cojinete que absorba el empuje axial tiene un acoplamiento

radial - axial que requiere de la medicin axial para un monitoreo preciso. Los engranajes de contacto

angular y helicoidal absorben el empuje y las vibraciones deberan medirse en el sentido axial; Las lecturas

radiales son requeridas para verificar la condicin de la mquina a la velocidad de operacin (1X) tales como

desbalance, desalineamiento, soltura, resonancia y eje combado.

Rango de Frecuencias

Los espectros pueden ser colectados como parte de la funcin de pantalla de muchos colectores de datos, el

rango de frecuencia debe reflejar apropiadamente la muestra con la apropiada seleccin del transductor. Los

engranajes pueden generar frecuencias de engrane con armnicas significativas que pueden ser cortados por

el lmite de 2 kHz del transductor de velocidad, entonces la medicin debe ejecutarse con un acelermetro.

El corte tambin puede ocurrir cuando el rango de frecuencias del espectro es menor que la frecuencia

mxima que esta siendo transmitida. La tabla 2.2 contiene rangos de frecuencias recomendados por

espectros tomados en mquinas rotativas para monitoreo y anlisis, los rangos se basan en las RPM y otras

frecuencias de la mquina. El corte en el rango de frecuencias est indicado por los valores de la energa

espectral que son significativamente ms bajos que el nivel total.

Sin embargo, si el rango espectral es ancho, la resolucin puede ser reducida a tal punto que no se

pueda discriminar las frecuencias; Si no hay la adecuada resolucin en los rangos de frecuencias

disponibles, se requerirn varios rangos de frecuencias con la adecuada resolucin para cubrir el rango

total deseado para analizar. Una ptima configuracin permite la suficiente resolucin para analizar la

frecuencia a la velocidad de operacin y sus bandas vecinas, tambin el rango de frecuencias elevadas

para rodamientos y engranajes. Es recomendable dividir los datos en dos o tres rangos para incrementar

las lneas de resolucin y obtener una mejor resolucin del espectro, de esta manera ser necesario

tomar los datos con el colector dos o tres veces en el mismo punto para poder cubrir todo el rango de

frecuencias deseado.


44/163

2.17

Presentacin de los Datos en la Pantalla

Los datos de vibracin de una mquina que trabaja a una velocidad constante son generalmente

repetitivos; Pequeas variaciones ocurren como una influencia de la carga, temperatura y del proceso.

Las condiciones ambientales y de carga deberan ser tomadas en cuenta cuando se recolectan los datos;

Tpicamente los datos son presentados en un espectro de frecuencias, una forma de onda y una rbita.

Ejemplo 2.4: Un esmeril gira 6,000 RPM y est soportado por rodamientos de rodillos (19

elementos). Los rangos de frecuencias recomendado segn la tabla 2.2 para este tipo de

mquinas son: 60,000 CPM (1000 Hz) para la vibracin del eje y 19x0.6x6,000x10 = 684,000

CPM (11,400 Hz) para los elementos de los rodamientos. Es probable que el rango de

frecuencias del colector sea de 720,000 CPM (12,000 Hz)

Esta situacin requiere lo siguiente: Para fallas a la velocidad de operacin; un espectro de velocidad

con un rango de frecuencias de 60,000 CPM (1,000 Hz). Si se utiliza un espectro de 400 lneas con una

ventanaHanning, se obtendr una resolucin de: (60,000 CPM / 400 lneas) x 3 = 7.5 Hz (ver CapituloIII).La resolucin es adecuada para las fallas a la velocidad de operacin.

Para las fallas de elementos de rodamientos de rodillos, la frecuencia de las bandas vecinas

ms bajas es 0.4 RPM (ver Captulo IV)= 2,400 CPM (40 Hz) Por lo tanto, se requiere una

resolucin mnima de 40 Hz, entonces el nmero de lneas requeridas son:

N = (FMAX/ RES) (3) = (12,000/40)(3) = 900 lneas

Por lo tanto, se requiere 1,600 lneas de resolucin.

La Forma de Onda.La forma de onda es el grfico de la amplitud de vibracin versus tiempo, esto

refleja el comportamiento fsico de la mquina en seal vibratoria, la forma de la onda es utilizada para

identificar eventos nicos de una

mquina y su repeticin. El tiempo

de presentacin de los datos en

forma de onda depende de la

informacin solicitada. Tpicamente

es relativo al periodo de la velocidad

de operacin (seg) = 60/RPM. La

mejor resolucin del ngulo de fasepara el balanceo bsico se obtiene utilizando la presentacin del periodo fundamental , en la figura

2.13 se muestra la forma de la onda de 12(400 mseg / 33.3 mseg). En la figura 1.14 se muestra una

forma de onda de 39(60/936 = 0.0641 seg = ); el rango es de 2.5 seg; Por lo tanto, 2.5/0.0641 = 39, el

cual permite el anlisis de eventos en largos periodos de tiempo.

Figura 2.13. Forma de Onda de un Compresor


45/163

2.18

Espectro. La configuracin del espectro de la figura 1.14 esta determinado por el rango de

frecuencias de los datos para que toda la informacin sea obtenida. La resolucin, el rango dinmico

y la exacta amplitud son

determinados por la configuracin del

analizador FFT (ver Capitulo III). Enla figura se muestra el espectro con

un rango de frecuencias igual a

10xRPM para analizar las vibraciones

del eje. Estos datos fueron procesados

en un analizador de configuracin fija

de 400 lneas, as que no se puede

variar la resolucin excepto el tipo de

ventana. La ventana flat top fueutilizada para lograr precisin en la

medicin de la amplitud, pero la

resolucin disminuye (183.2 CPM

para la ventana flat top vs 72 CPM

para la ventana Hanning) ver

Capitulo III. En tales situaciones, si

se requiere rangos de frecuencia con mayor resolucin ser necesario procesar dos o ms espectros

con diferentes rangos de frecuencia. Con un colector de datos el analista tiene la opcin deincrementar las lneas de resolucin en lugar de tomar ms espectros.

rbita.La rbita mostrada en la figura 2.14 es una presentacin en la pantalla de dos dimensiones de

la vibracin de un punto de la mquina, las rbitas son comnmente colectadas por sensores de

proximidad, que muestran el movimiento fsico del eje con respecto del cojinete. Las rbitas se

utilizan para mostrar el movimiento de los pedestales, tuberas o cualquier estructura cuando una

mejor visualizacin de la vibracin de los objetos es deseada.

Figura 2.14. Presentacin de la Orbita


46/163

2.19

Resumen de la Adquisicin de Datos

El empleo de medidas de desplazamiento, velocidad o aceleracin para evaluar la condicin demaquinaria depende de las caractersticas especficas de la mquina.

Los transductores de vibracin deben seleccionarse de acuerdo a la respuesta en frecuencia,

magnitud de la seal, tamao, tipo de mquina y tipo de cojinete. La magnitud de la seal depende de la medida seleccionada y de la frecuencia de inters.

Las seales de aceleracin a bajas frecuencias son pequeas en magnitud, tal como es eldesplazamiento a altas frecuencias.

La integracin de la seal de aceleracin puede causar elevadas amplitudes y ruidos a bajafrecuencia.

La respuesta a la frecuencia es la capacidad de un transductor de reproducir la magnitud devibracin dentro de un rango de frecuencias dado.

Los transductores de vibracin deben colocarse cerca del cojinete y sujetarse apropiadamente paraadquirir datos a la frecuencia de inters.

Las vibraciones a la velocidad de operacin (1X), tales como desbalance, desalineamiento, soltura,etctera son monitoreados en la direccin radial y analizados en las direcciones radiales y axial.

Los rodamientos de contacto angular, as como engranajes no rectos se miden en la direccin axial.

Hay que seleccionar los rangos de frecuencia y nmero de lneas adecuado para que toda laactividad vibracional se capture con una resolucin adecuada.

La correcta configuracin del colector de datos proporciona una presentacin que mejora elanlisis.

Referencias

2.1.API 670, 1986, Vibration, Axial Positon, and bearing Temperature MonitoringSystem, 2nd ed.,American Petroleum lnstitute, Washington, D.C.

2.2. API 678, 1981, Accelerometer-Based Vibration Monitoring System, API, Washington, D.C.

2.3. Crawford, A.R. and Crawford, S., The Simplified Handbook of Vibration, Analysis, Volume 1,Computational Systems, Inc. (1992).


47/163

3.1

CAPITULO III

PROCESAMIENTO DE DATOS

Cuando el problema es difcil, la diferencia entre xito y fracaso ser la calidad de los datos

procesados.

Este captulo trata sobre el ajuste y las limitaciones de la instrumentacin que se usa para medir

vibraciones en forma rutinaria. Incluimos osciloscopios, analizadores FFT (analizadores de

transformada rpida de Fourier), y colectores electrnicos de datos. Los osciloscopios analgicos y

digitales, muestran la forma de onda en el tiempo y son utilizados para desplegar y analizar su forma

y frecuencias. Los osciloscopios pueden ser usados para evaluar fase y rbitas. Los analizadores FFT

y los colectores electrnicos de datos son usados en anlisis espectral y para evaluar la forma de onda

en el tiempo.

Osciloscopios.

El osciloscopio (Figura 3.1) mide y despliega

voltajes que varan en el tiempo. Un transductor

convierte la vibracin mecnica en una seal

elctrica proporcional (ver figura 2.1) calibrada en

unidades de ingeniera (EU) tales como mV/mil,

mV/ips, mV/g. Los osciloscopios son utilizados para

desplegar la forma de onda en el tiempo, rbitas y

marcas que se relacionan a eventos tales como la

rotacin de un eje (Figura 3.2)

Disparo (Triggering)El disparo o gatilleo es una funcin

importante tanto del osciloscopio como del analizador FFT.

Un disparador inicia la adquisicin de datos en un tiempo o

amplitud especficos y controla la adquisicin de datos por

una seal especfica (vibracin o disparo) El osciloscopio

puede ajustarse en modo de disparo automtico para unmuestreo continuo de datos. El disparo puede hacerse sobre una seal seleccionada con base a la pendiente y/o

magnitud de voltaje. El osciloscopio puede ser ajustado para realizar un barrido simple que es disparado a un

voltaje especfico. Para medicin continua, se utiliza un sensor ptico o uno de proximidad como disparador

continuo a la frecuencia de giro del eje.

Figura 3.1. Osciloscopio Analgico.


48/163

3.2

Entrada externa de intensidad. Una marca controlada de blanqueo o de intensidad acentuada puede

desplegarse en el trazo de la forma de onda en la pantalla del osciloscopio aplicando una seal de 5V en el

conector del eje z. La entrada puede tener acoplamiento de CA (esto es, no pasa CD), si no es as, debe

usarse un capacitor con sensores de

proximidad que tienen ms de 5VCD. El blanqueo o borrado del

trazo a travs del eje z, se usa para

medir la fase y para referir una

marca en el eje a la seal de

vibracin durante el balanceo. El

blanqueado de la seal se obtiene de

un sensor de proximidad empleado

como un disparador o de un sensor

ptico.

Amplificador Vertical. Los

amplificadores verticales reciben la

variacin del voltaje en el tiempo de

un transductor. Los controles estn

calibrados en mV/divisin (div) La amplitud de la seal en nmero de divisiones se obtiene de la pantalla. El

voltaje es calculado multiplicando el nmero de divisiones por el ajuste de la ganancia del amplificador en

mV/div para obtener mV. La amplitud de vibracin se calcula al dividir los mV por sensibilidad del

transductor en mV/EU. Las EU pueden ser mils, ips, gs o grados. La pantalla tiene ocho divisiones verticales(Figura 3.2). El ejemplo 3.1 ilustra el uso de un osciloscopio para medir la amplitud y la frecuencia.

Base de tiempo (amplificador

horizontal) La funcin primaria

del amplificador horizontal es

como base de tiempo. El nmero

de divisiones por periodo de la

seal es obtenido de la pantalla

(figura 3.2) y multiplicado por la

razn de barrido de la base de

tiempo (s/div). Cuando el

amplificador horizontal se conecta

a una fuente de voltaje su comportamiento es similar al de un amplificador vertical, pero la seal es un

voltaje en direccin horizontal que produce un despliegue x-y (rbita o diagrama de Lissajous) La pantalla

tiene diez divisiones en la direccin horizontal.

Figura 3.2. Anlisis en osciloscopio.

Ejemplo 3.1:Encuentre la amplitud y el periodo de la forma de onda dela figura 3.2.

Escala en el tiempo: 10 ms/divEscala de amplitud: 200mV/div = .2V/divCalibracin del transductor: 1000 mV/ips

Procedimiento de los clculos:

Perodo T = (4 div) (10 ms/div) = 40 ms = 0.04 sFrecuencia = 1/T = 1/0.04 s = 25 Hz = 1,500 CPM

Amplitud = (1 div) (200 mV/div) = 200 mV 0-Pico

Amplitud = Amplitud/Sensibilidad = (200mV) / (1000mV/ips) =0.2 ips 0-Pico


49/163

3.3

Analizador FFT

El analizador FFT (ver figura 3.3) es un

instrumento digital computarizado. Un

bloque de datos digitalizados en un

convertidor analgico - digital es

procesado mediante un algoritmo

transformada rpida de Fourier (FFT)

para generar un espectro. La forma de

onda en el tiempo es reconstruida a

partir del bloque de datos digitalizados.

Un analizador FFT de dos canales

permite obtener las propiedades de fase y

fase entre dos seales obtenidas. El

analizador FFT tiene alta resolucin de

amplitud pero su precisin puede menoscabarse dependiendo del ajuste. Es bsicamente un analizador

para tomar datos de estado estable ms que para datos transitorios.

El analizador adquiere un bloque de datos a una velocidad de muestreo elevada (mayor que

200,000 muestras por segundo) dependiendo del rango ms alto de frecuencias del analizador. El

analizador requiere que una seal complete un ciclo antes de que los datos sean procesados por la

FFT. Esto significa que a bajas frecuencias (por debajo de 10 Hz), se requieres largos perodos

de muestreo antes de comenzar con el procesamiento de la FFT.La habilidad del analizador para seguir eventos cuando la velocidad cambia rpidamente es

entonces comprometida. A frecuencias comunes de mquinas, el tiempo para el procesamiento de

la FFT es una fraccin del tiempo de adquisicin de datos y del tiempo de autorango. La funcin

zoom en un analizador FFT incrementa la resolucin: 400 u 800 lneas se emplean pero el ancho de

banda de la frecuencia (comienzo o centro) se reduce para lograr su resolucin. La resolucin se

refiere a la capacidad del instrumento para permitir que el analista observe componentes de

frecuencias muy en el espectro.

Comnmente los analizadores FFT tienen ms ventanas disponibles que los colectores electrnicos

de datos. Las ventanas son usadas para el proceso de la FFT. El rango dinmico de los analizadoresFFT es actualmente cercano a 72 dB. Por lo tanto, una seal de 1 mV puede detectarse en presencia de

una seal de 2V. Muchos de las capacidades de los analizadores FFT incluyen rbitas, grficas de

Bod, grficas polares, diagramas de cascada (waterfall), y grficas reales e imaginarias usadas para

anlisis modal.

Figura 3.3. Analizador FFT Hewlett-Packard.Cortesa de Hewlett Packard


50/163

Figu a 3.4c. ColeCortesia de

ctores DC-7PREDICT/D

Figura 3.4

y 8603.LI

Colectores

3.4

lectrnicos

Figurad

Cortesia de

de Datos

.4d. ColectDatos Spec

Vibration Sp

r y Analizatra VIB.ciality Corp

or

ration


51/163

3.5

Colectores Electrnicos de Datos:

Los colectores electrnicos de datos (Figura 3.4) adquieren y almacenan parmetros seleccionados de

vibracin tales como vibracin global, vibracin global en anchos de banda seleccionados, espectros,

formas de onda, rbitas, diagramas en cascada, medidas de alta frecuencia y espectros de deteccin deenvolvente. La vibracin global generalmente se almacena como velocidad de vibracin en pico o rms,

y est relacionada a puntos en rutas preestablecidas que pueden incluir numerosas mquinas. Los datos

se vacan a una computadora capaz de efectuar tendencias contra datos colectados previamente en

forma tal que cualquier cambio en la condicin de las mquinas pueda ser detectado.

Los colectores electrnicos de datos se han vendido como analizadores desde que se

desarrollaron. Algoritmos de FFT se incorporaron en los colectores y despus de varias

generaciones, muchos son ahora analizadores FFT de prestigio, con una buena resolucin y rango

dinmico. Algunos colectores tienen capacidad de 6,400 lneas. Por supuesto, que el

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