1.MLP. Introducción a Las Vibraciones Primera Parte

5 October, 2006 © SKF Group Slide 1

Introducción al Análisis de

Vibraciones


Objetivos del módulo

Informar sobre los métodos típicos de análisis, y también sobre cómo se muestran “típicamente” los problemas en las máquinas cuando se usan estos métodos.

Este módulo apunta a sentar las bases para comprender conceptos de análisis de maquinaria y detallar lo que se necesita para realizar un análisis real en maquinaria específica.


Detección vs. análisis

Enfoque de causa y efecto

• Hay una gran diferencia entre detectar un problema en la máquina y analizar sus causas

• Una vez detectado, siga otros pasos para analizar qué causó el problema; solo entonces evitará que se repita

• Es esencial que los problemas se detecten lo suficientemente temprano para planificar las acciones de reparación y minimizar el tiempo de inactividad de la máquina

• Por lo general, el desgaste prematuro del rodamiento lo causa algún otro problema de la máquina. Para resolver un problema del rodamiento, resuelva la causa del problema (por ej., desalineación, flojedad, desequilibrios)


¿Qué es la vibración?

Movimiento de ida y vuelta de los componentes de la máquina

• Solo si se aplica una fuerza, cuando la fuerza se elimina, la vibración cae a cero en la posición neutra

• Desplazamiento –distancia en la cual se mueve un objeto

• Amplitud – magnitud del desplazamiento

• La amplitud, o magnitud de la vibración, es proporcional a la cantidad de fuerza aplicada –a mayor fuerza, mayor vibración

• Los principios básicos de masa-resorte aún se aplican aunque la máquina se componga de millones de sistemas masa-resorte

D

T

Tiempo

Desplazamiento “pico”

Un ciclo


Fuerza

Tres tipos básicos de fuerza:

Impacto

– Partes sueltas, como martilleo en un sistema de cañerías, elemento rodante en un rodamiento que choca contra un desprendimiento

– La estructura o el componente “suena” en sus variadas frecuencias naturales y la amplitud de la vibración cae paulatinamente salvo que se repita al impacto

Periódica

– Fuerza repetitiva, tal como desequilibrio o desalineación

– Después de aplicar algunos ciclos de fuerza, la estructura alcanza una condición estacionaria y las frecuencias de la vibración medida son iguales a las frecuencias de la fuerza aplicada

Aleatoria

– Varía con el tiempo, por ejemplo, turbulencias en cañerías, cavitación en bombas

* Cada tipo de fuerza produce una reacción distinta en la máquina


Amplitud y frecuencia de vibración

Amplitud – magnitud de la señal de vibración

• Indica la severidad de la falla

• Cuanto mayor la amplitud, mayor el problema

Frecuencia – la cantidad de veces que ocurre una señal de vibración en un período de tiempo dado

• Indica tipo de falla

• A menudo, las fallas de máquinas producen señales a frecuencias distintivas, o siguen patrones de frecuencia


Vibración general

• Vibración general – energía vibratoria total medida en un rango de frecuencia

• Un valor más alto que lo normal indica que “algo” está causando que la máquina o componente vibre más

– Incluye una combinación de todas las señales de vibración en el rango de frecuencia medido

– Produce valor numérico

– Si el valor general se incrementa (detección), por lo general se realizan monitoreo y análisis más exhaustivos

El equipo manual CMAS 100 de SKF mide la vibración general


Factores de “escala” de vibración

• Pico – representa la distancia al tope de la forma de onda medida desde una referencia cero

– Se usa a menudo al medir velocidad y aceleración

• Pico-a-Pico – amplitud medida desde el tope máximo de la forma de onda a su punto inferior

– Utilizada por lo general para medir desplazamiento

• RMS – deriva de una conversión matemática que relaciona energía CC con energía CA

– En una forma de onda de tiempo = raíz cuadrada media (RMS) de la señal de vibración

– Por lo general se usa para medir la energía efectiva de la vibración que es aleatoria o que consta de señales de vibración múltiples a distintas frecuencias (vibración general)


Posición del sensor de medición

• Los sensores de vibración se montan en forma horizontal, vertical o axial

–Horizontal – típicamente muestran amplitudes mayores puesto que la mayoría de las máquinas son más flexibles en el plano horizontal

–Vertical – típicamente muestran menores amplitudes de vibración que en el montaje horizontal, debido a la mayor rigidez vertical y gravedad

–Axial – bajo condiciones ideales, las lecturas axiales deben tener valores de baja vibración, porque la mayoría de las fuerzas se generan en forma perpendicular al eje. Sin embargo, problemas como desalineación o un eje inclinado crean vibración en el plano axial, así como algunas fallas en rodamientos

• Factores importantes para determinar la colocación del sensor son: proximidad al rodamiento y un punto de montaje estable


Comparaciones de vibraciones

Comparación de tendencias (gráfico de tendencias)

– Es el método de comparación más eficiente y confiable

– Compara la lectura más reciente con las lecturas previas para el mismo PUNTO de medición

Comparación de referencia

– Se puede obtener lectura “buena” conocida después de una puesta a punto o cuando otros indicadores muestran que la máquina está funcionando bien

– las mediciones siguientes se comparan con la referencia para determinar los cambios en la maquinaria

Análisis estadístico

– La característica del parámetro del que se elaboró tendencia se considera anormal cuando es 2x la desv.std. de su tendencia histórica, y/o crítica cuando los datos son 4x la desv.std. de su tendencia histórica

Comparación con otra máquina

– Máquinas idénticas bajo las mismas condiciones operativas

– Comparar amplitudes de lecturas tomadas en la misma ubicación y dirección en cada máquina


Tres parámetros de vibración mensurables

Desplazamiento

• Cambio en la distancia o posición de un objeto con relación a un punto de referencia

Velocidad

• Variación de la posición de un objeto en el tiempo

Aceleración

• Razón entre el cambio de velocidad y el tiempo en que ocurre

Desplazamiento – cambio en la distancia o posición de un objeto con respecto a un PUNTO de referencia

• en ml, mide distancia relativa entre 2 superficies (típicamente en cojinetes lisos o rodamientos montados sobre manguito de fijación- sleeve bearings)

• Respuesta precisa de baja frecuencia

• Sensibilidad limitada de alta frecuencia

• Las sondas de desplazamiento (Eddy probes) requieren fuente de alimentación externa

• Se utiliza con cojinetes lisos

Medición del desplazamiento


Velocidad

Velocidad – Variación de la posición de un objeto en el tiempo

• Excelente indicador de problemas de vibración en máquinas de mediana velocidad

• Medida en pulg/seg o mm/seg

• Sensor de velocidad directamente unido a la superficie exterior de la máquina

• Limitaciones del sensor de velocidad

– La versión con bobina móvil tiene resortes internos que posicionan sus partes, y es susceptible a que fallen los resortes


Tipos de mediciones de vibración

Aceleración – Razón entre el cambio de velocidad y el tiempo en que ocurre

–Los acelerómetros son sensores robustos

–Cristal piezoeléctrico con precarga masa/resorte y circuitería interna para amplificación de señal

–Funcionan en un rango muy amplio de frecuencia desde casi cero hasta bien por encima de 400 kHz

–Idealmente, fijados en forma permanente a la máquina que se prueba


Proceso de análisis

• Desequilibrio – señal de vibración de mayor amplitud en el rango de baja frecuencia (1X veloc.de funcionamiento)

• Problemas en rodamiento – señales de vibración de amplitud mucho más pequeña en un rango de frecuencia mayor

• Se producen señales de vibración de baja amplitud en engrane en el rango de frecuencia del engrane


Visión general de análisis espectral FFT

• Problemas específicos en la maquinaria generan vibraciones en frecuencias específicas

• Analizamos espectros FFT (transformada rápida de Fourier) para ver cambios de amplitud en los rangos de frecuencia de interés

• Los espectros FFT ayudan a determinar:

– La ubicación del problema

– La causa del problema y,

– Mediante elaboración de tendencias, cuánto tiempo queda hasta que el problema se vuelva crítico


Enfoque de análisis de dos pasos

• Utilice un enfoque de dos pasos para el análisis espectral FFT

– Primero, recopile información útil

– Luego, analice el espectro

• Recopile información útil

– Identifique todos los componentes de máquina que podrían causar vibración

• ¿Cuáles son las posibilidades?

– Obtenga todos los datos históricos de la máquina

• Valores previamente registrados, registro de referencia, cambios operativos, registros de mantenimiento

– Identifique la velocidad de funcionamiento de la máquina

– Identifique el tipo de medición que produjo el espectro FFT

• Tipo de medición, posición de la sonda, escala, etc.


Luego, analice el espectro

• Técnicas de análisis espectral

• Utilice una moneda o una punta de sonda para sentir la vibración

• Recopile datos de vibración tri-axial en cada rodamiento

• Recopile mediciones de fase relacionadas

• Evalúe las lecturas de vibración generales en todo el tren de máquina– ¿Dónde parece originarse la vibración (la mayor amplitud)?

– ¿Qué direcciones de la sonda tienen la mayor amplitud? (significativa)

– Las frecuencias predominantes, ¿tienen relación con los componentes rotativos?

• Una vez que se conoce lo anterior, analice los espectros

– Utilice proceso de eliminación

• Se produce cuando una frecuencia modula a otra, o cuando una amplitud modula a otra

• En el espectro, la modulación aparece como un pico dominante en la frecuencia de vibración primaria (frecuencia central) y dos picos separados por espacios iguales por encima y por debajo de la frecuencia central (frecuencia de modulación)

• Cuanto más bandas laterales, peor es la falla

• Contribuye a identificar problemas eléctricos en los motores y a evaluar la severidad de las fallas en engranajes y rodamientos

Picos de banda lateral

Armónicos

• Armónico – frecuencia que es múltiplo exacto de la frecuencia fundamental

• Producido por fallas “tipo impacto”

• En los rodamientos de bolas, por lo general aparecen primero los armónicos de frecuencia fundamental de la falla

• Son los indicadores más tempranos de que existe un problema

Identifique posibles frecuencias de fallas

• Una vez que se determina la velocidad de funcionamiento, identifique los rangos de frecuencia del espectro

– Armónicos de velocidad de funcionamiento

– Frecuencias de fallas de rodamientos

– Frecuencias de paleta de ventilador (si corresponde)

– Cantidad de dientes de engrane (si corresponde)

– Frecuencias del impulsor de bomba (si corresponde)

– Vibración de maquinaria adyacente (si corresponde)

– Con motores eléctricos, identifique picos de frecuencias de línea

Verificar las sospechas de frecuencias de falla

• ¿Picos en las frecuencias de falla identificadas?

– Pueden representar o no la falla indicada – busque los armónicos

•Un pico en la frecuencia fundamental de falla y otro pico a 2 veces la frecuencia fundamental de falla, indicación muy fuerte de que la falla es real

•Ningún pico en la frecuencia fundamental de falla, pero picos a dos, tres, quizás 4 veces la frecuencia fundamental de falla, es también una fuerte indicación de que la falla es real

Determinar la severidad de la falla

• Compare la amplitud de vibración de la falla con las Normas ISO para la clasificación de la máquina

• Mejor - compare la amplitud actual con mediciones pasadas recopiladas en condiciones consistentes (análisis de tendencias)

• Compare la amplitud con otras lecturas obtenidas de máquinas similares funcionando en las mismas condiciones

Reconocimiento de patrón espectral (espectro de velocidad)

1X

2X 3X

4X

frecuencia

am

plit

ud

< 1X

Eventos rotacionales y armónicos de baja frecuencia

(por ej., desequilibrio, desalineación, flojedad, etc.)

Eventos de alta frecuencia(por ej., rodamiento o

engrane)

10X

Ejemplo de espectro – ¡buscar el cambio!

1

2

3

Espectro de referencia (norma)

Mayor que la normal1X; señal de vibración

1X

2X

3X

Frec.rodam.. Frec.engrane

Mayor que la normal1X y señales de vibracióndel rodamiento

Buena medición conocida, tomada cuando se sabía que la máquina estaba en buenas condiciones de funcionamiento.

Pico de veloc.de funcionamiento 1X mayor es significativamente mayor que la normal. Indica que ocurre una señal de vibración una vez por giro del eje. Causada por lo general por desalineación o desequilibrio.Pico de veloc.de funcionamiento 1X mayor que la normal y picos de frecuencias de falla de rodamiento indican que el problema rotacional dañó el rodamiento.

¿Qué es fase?

En fase

Fuera de fase

• Proporciona indicación de movimiento con relación a una referencia conocida

• Los ángulos de fase se presentan en grados, ya que la mayoría de los análisis de fase involucran la comparación de una señal de vibración con la rotación del eje

• Las relaciones de ángulos de fase entre mediciones proporcionan valiosos indicios sobre cómo vibra o se mueve la máquina


Ejemplo de fase

Figura 1

Figura 2

Mediciones de fase (direcciones del sensor)

misma dirección - las mediciones de

fase son verdaderas

dirección opuesta - las mediciones de fase se oponen 180 grados

a las lecturas verdaderas

¿Como mostramos la fase?…(relación de fase entre las máquinas)

Relación de fase entre dos rodamientos

Ejemplo – lecturas axiales a través del eje “en fase”Lectura de fase (corregida por dirección opuesta desensor si es necesario)

Plano de medicióny dirección del sensor(axial, a la der.delrodamiento)

Rodamiento(componente monitoreado)

¿Cómo mostramos la fase?

Relación de fase entre planos de medición radiales

Ejemplo - lecturas horiz. y vert. “90 grados” fuera de fase

Métodos de procesamiento de señales

¿Por qué procesar las señales?

Fallas repetidas en engranes y rodamientos:

• Por lo general emiten señales de vibración de baja energía en las frecuencias más bajas

• Las señales son del tipo impacto- generan armónicos hasta muy altas frecuencias

• La vibración por desequilibrio o desalineación enmascara las señales de vibración de baja amplitud del rodamiento – las fallas de rodamientos no se detectan en las etapas tempranas

• Por estas razones, las técnicas de procesamiento de señales filtran la energía de las vibraciones de baja frecuencia y aislan y enfatizan las señales de vibración y armónicos que ocurren en rangos específicos de alta frecuencia.

Métodos de procesamiento de señales

• Envolvente de aceleración

– Primero filtra los ruidos de vibraciones de baja frecuencia del equipo, luego busca los armónicos de señales repetidas que ocurren en una banda de frecuencia más alta especificada por el usuario

• SEE (Spectral Emitted Energy; Energía espectral emitida)

– Detección de problemas de lubricación y detección temprana (incipiente) de defectos en rodamiento y engrane

• HFD (High Frequency Detection; Detección de alta frecuencia)

– Despliega un valor numérico para vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud generadas por pequeños defectos en los rodamientos de bolas (elaboración de tendencias)


Mediciones de envolvente de aceleración

El Filtro de Paso de Banda se especificasegún las frecuencias de interés delos armónicos de la falla

Se filtraron los eventos de baja frecuencia, se enfatizaron los armónicos de falla de alta frecuencia debido a la baja ratio señal/ruido; estosarmónicos de alta frecuencia se suman yrepliegan a la frecuencia fundamental de la falla

Señal de envolvente resultante,medida en gE

Frecuencia Fundamental de la falla

Armónicos defrecuencia

fundamental

Selecionar el filtro de envolvente

• Clave – mejorar los armónicos de baja amplitud de falla del rodamiento sin incluir las señales de vibración rotacional de alta amplitud

• Seleccione uno de 4 filtros de paso de banda para la medición de envolvente

• El filtro de paso de banda de cada medición se selecciona según la velocidad del eje y el rango de frecuencia de interés del rodamiento o engrane

Filtro

Banda de frecuencia

Rango de velocidad

Rango de análisis

1 5-100 Hz 0-50 RPM 0-10 Hz

2 50-1,000 Hz 25-500 RPM 0-100 Hz

3 500-10,000 Hz 250-5,000 RPM

0-1,000 Hz

4 5,000-40,000 Hz 2,500-… RPM 0-10,000 Hz


Límites del rango de velocidad y clases de maquinaria

Máquinas pequeñas – Máquinas medianas – Máguinas grandes, con soportes rígidos y menos rígidos

Bueno – Satisfactorio – Insatisfactorio (Alerta) – Inaceptable (Peligro)

Severidad de la velocidad

Límites del rango de velocidad y clases de maquinaria

Tecnología SEE

Energía espectral emitida

Detección de:

• Problemas de lubricación

• Detección temprana (incipiente) de defectos de rodamientos y engranes

Se prefieren los sensores SEE montados en forma permanente

• Colocación consistente de la sonda

• Acoplamiento para fluidos consistente

Análisis numérico SEE

0-3 no hay problemas identificables

3-20 problema de lubricación, contaminación, defecto del rodamiento con carga liviana, o defecto de rodamiento pequeño con carga normal

20-100 defecto del rodamiento o contaminación

100+ problema severo del rodamiento

Análisis de espectro

Se mejoran las señales acústicas repetitivas de fallas muy tempranas del rodamiento, y se muestran como picos en las frecuencias de falla del mismo

HFD (detección de alta frecuencia)

Valores HFD en un gráfico de tendencias para

detectar más fácilmente los cambios de amplitud

• Despliega valor numérico proporcional al nivel de señal general dentro del paso de banda de alta frecuencia

• La frecuencia de resonancia del sensor está dentro del paso de banda – amplifica la señal de bajo nivel generada por el impacto de defectos pequeños

• La frecuencia de resonancia del sensor es ~ 25 kHz – mide vibración general de 5 kHz a 40 kHz

Para entender a los sensores


Visión general de los sensores

•Se colocan en puntos estratégicos de las máquinas para monitorear la condición

•Detectan y convierten el movimiento mecánico en una señal eléctrica de escala equivalente, que se puede medir, registrar y graficar

• Sonda de desplazamiento – información de vibraciones y posición que se obtiene junto con los datos de velocidad y fase

• Sensor de velocidad y acelerómetro – se basan en señales de vibración que se originan en el eje y se transmiten a la superficie de la máquina

• Transductores de medición de fase

Sondas de desplazamiento

• Miden desplazamiento

• Dispositivo sin contacto

• Monitorea la vibración del eje y su posición estática

• Se utiliza en rodamientos montados sobre manguito de fijación

Sensores de velocidad

• Sensores montados en bastidor disponibles en dos configuraciones; de bobina móvil y aceleración integrada

• Unidos directamente a la superficie exterior de la máquina

• Miden los soportes de rodamientos o maquinarias que causan vibración

Acelerómetros

• Elemento cerámico o cristal, piezoeléctrico, precargado con masa /resorte

• Pequeño y liviano

• Sin partes móviles, mejorando la confiabilidad de instalación en campo

• Respuesta lineal considerablemente constante en un rango de frecuencia amplio

• Económico

• Alto rendimiento para niveles de energía relativamente bajos en el rango de frecuencias superiores – atractivo para monitorear frecuencias en rodamientos

Referencia de fase


Introducción

La utilidad de la medición de fases es la de ser un complemento de los diagnósticos espectrales y de la onda en el tiempo. Por ejemplo, cuando existen síntomas de anomalías similares en los espectros, tales como: • Desbalanceo y resonancia. • Poleas excéntricas y desalineadas. • Desalineamiento, carcaza deformada, soltura y eje curvado.

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2Tipos de Diferencias de Fases



3Precauciones al montar los sensores para medir fase



Precauciones al montar los sensores para medir

fase

Al medir con los sensores apuntando en sentidos opuestos, se debe sumar o restar 180 a la medición

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4Complementos de diagnósticos mediante fases



Diagnósticos

mediante

fases:Polea excéntrica

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P o lea excéntrica o d esgastada: Diferencia de fase de 0 ó 180 20


Diagnósticos mediante fases: MáquinaDistorsionada

(deformación

de carcaza,

etc.)

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M á quina distorsionada: Diferencia de fase de 180 20


Diagnósticos

mediante

fases:Eje curvado

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Eje curvado cerca del acople: D iferencia de fase de 180 20

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