Aplicacion de La Teoria de Vibraciones
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Edi Nataren Ruiz
Aplicación de la teoría de vibraciones
Se denomina vibración a la propagación de ondas elásticas produciendo
deformaciones y tensiones sobre un medio continuo (o posición de equilibrio).
En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento
repetitivo alrededor de una posición de equilibrio. La posición de "equilibrio" es a la
que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Este tipo de movimiento
no involucra necesariamente deformaciones internas del cuerpo entero, a
diferencia de una vibración.
4.1. Medición de las vibraciones
La medición y análisis de vibraciones es utilizado, en conjunto con otras técnicas,
en todo tipo de industrias como técnica de diagnóstico de fallas y evaluación de la
integridad de máquinas y estructuras. En el caso de los equipos rotatorios, la
ventaja que presenta el análisis vibratorio respecto a otras técnicas como tintas
penetrantes, radiografía, ultrasonido, etc., es que la evaluación se realiza con la
máquina funcionando, evitando con ello la pérdida de producción que genera una
detención.
Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la
cadena de medición, son: - etapa transductora, - etapa de acondicionamiento de la
señal, - etapa de análisis y/o medición, - etapa de registro.
El transductor es el primer eslabón en la cadena de medición y debería reproducir
exactamente las características de la magnitud que se desea medir. Un
transductor es un dispositivo electrónico que censa una magnitud física como
vibración y la convierte en una señal eléctrica (voltaje) proporcional a la magnitud
medida.
Típicamente hay cuatro tipos de sensores o transductores de vibraciones:
- Sensor de desplazamiento relativo sin contacto
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- Sensor de desplazamiento relativo con contacto
- Sensor de velocidad o velocímetro
- Sensor de aceleración o acelerómetro
Para la medición de vibraciones en el exterior de las máquinas y en las estructuras
hoy en día se utiliza fundamentalmente los acelerómetros.
El acelerómetro tiene la ventaja respecto al velocímetro de ser más pequeño,
tener mayor rango de frecuencia, y poder integrar la señal para obtener velocidad
o desplazamiento vibratorio. El sensor de desplazamiento se utiliza para medir
directamente el movimiento relativo del eje de una máquina respecto a su
descanso.
4.2. Análisis de vibraciones
El objetivo del análisis de vibraciones es poder extraer el máximo de información
relevante que ella posee. Para esto existen diferentes técnicas de análisis tanto en
el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales tienen sus propias
ventajas para algunas aplicaciones en particular. A continuación se presenta
algunas de las técnicas más utilizadas en la inspección de máquinas.
• Análisis espectral.
La esencia del análisis espectral es descomponer la señal vibratoria en el
dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto
permite, en el caso de las máquinas, correlacionar las vibraciones medidas
generalmente en sus descansos, con las fuerzas que actúan dentro de ella.
• Análisis de la forma de onda
El análisis de la forma de la vibración en el tiempo a veces puede proveer
información complementaria al análisis espectral. Este análisis es adecuado
para reconocer los siguientes tipos de problemas:
• Impactos
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• Rozamientos intermitentes
• - Modulaciones en amplitud y frecuencias
• - Transientes
• - Truncaciones.
• Análisis de fase de vibraciones.
Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia
como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores
máximos, mínimos o cero. El análisis de diferencias de fase a la velocidad de
giro de la máquina entre las vibraciones horizontal y vertical o entre las
vibraciones axiales de los diferentes descansos del sistema motor-máquina,
permite determinar los movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre
problemas que generan vibraciones a frecuencia 1xrpm.
-Desbalanceamiento
- Desalineamiento
- Eje doblado
- Resonancia
- Poleas excéntricas o desalineadas.
4. Análisis de los promedios sincrónicos en el tiempo.
Esta técnica recolecta señales vibratorias en el dominio tiempo y las suma y
promedia sincrónicamente mediante un pulso de referencia repetitivo. Las
componentes sincrónicas al pulso se suman en el promedio y las no
sincrónicas disminuyen de valor con el número de promedios.
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5. Análisis de órbitas.
Combinando dos señales vibratorias captadas por sensores ubicados
relativamente entre ellos a 90º (vertical y horizontal) en un descanso de la
máquina se puede obtener el movimiento del eje en el descanso o su órbita.
6. Análisis de demodulaciones.
El análisis de demodulaciones en amplitud consiste en analizar la envolvente
de la señal temporal de una señal modulada. Estas modulaciones y análisis
permite determinar más fácilmente la periodicidad de las diagnosticar
problemas tales como:
- Rodamientos picados
- Engranajes excéntricos o con dientes agrietados
- Deterioro de álabes en turbinas
7. Análisis de vibraciones en partidas y paradas de una máquina.
Existen ciertos problemas que son más fáciles de diagnosticar durante el
funcionamiento transiente (partidas/paradas) que durante el funcionamiento
estacionario de la máquina. Es el caso de los problemas que generan
vibraciones cuyas frecuencias son función de la velocidad de la máquina. Al
disminuir ésta, dichas componentes van disminuyendo en acorde, por lo que
en algún momento coinciden con alguna frecuencia natural de ella y son
amplificadas, evidenciando en ese instante en forma más clara el problema.
8. Transformadas tiempo-frecuencia.
El análisis espectral es adecuado para analizar vibraciones compuestas de
componentes estacionarias durante su período de análisis. Esto indica qué
efectos transientes de la vibración son promediados en el período de análisis,
perdiéndose información sobre la naturaleza o forma de estas variaciones.
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Las transformadas tiempo-frecuencia son análisis tridimensionales amplitud-
tiempo-frecuencia, es decir, se agrega una nueva dimensión (el tiempo).
4.3. Diagnostico de vibraciones
El diagnóstico móvil de vibraciones representa una variante altamente eficiente
de la evaluación del estado de las máquinas. Mediante este servicio pueden
reconocerse a tiempo modificaciones en el comportamiento de servicio
4.4. Balanceo de rotores.
Balance.
El balance es la técnica de corregir o eliminar fuerzas o momentos
generadores de perturbaciones vibratorias.
El desbalance es una de las fuerzas que causan problemas en rotores y
máquinas rotativas. Si una máquina está desbalanceada presenta altos niveles
de vibración, ruido y desgaste perjudiciales, que afectan la resistencia a la
fatiga de la máquina.
Rotor Rígido.
Un rotor rígido es el que no presenta una deformación significativa a su
velocidad de funcionamiento. Un rotor rígido se puede corregir con la
aplicación de no más de dos masas de corrección, y después de la corrección
mantendrá su balance en un rango de velocidades hasta su duración de vida
máxima.
Rotor Flexible
Es aquel que, dependiendo de las revoluciones y de la situación de su
alojamiento, varía su estado de equilibrado. En muchos rotores, los momentos
de internos actúan en los planos extremos y esta actuación aumenta en
proporción al cuadrado de la velocidad y flexionan enormemente el rotor
dependiendo de las fuerzas elásticas que son proporcionales a su flexión. No
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existe una flexión única del rotor sino que ésta varía en dependencia de la
gama de revoluciones a la que gira.
Balanceo estático.
Este se hace si existe una condición que cuando el centro de masa no está
sobre el eje de rotación, puede ser también explicada como la condición
cuando el eje principal de inercia es paralelo al eje de rotación. El desbalance
estático por si mismo es típicamente medido y corregido sobre partes en forma
de disco muy estrechas como un “frisbee”. Para corregir el desbalance estático
se requiere solo una corrección. La cantidad de desbalance es el producto del
peso por el radio. Este tipo de desbalance es un vector, y por eso, debe ser
corregido con un peso conocido en un ángulo particular.
El balanceo dinámico
Es el arte de compensar y redistribuir masas, por el efecto producido por
descompensación de las masas producidas por errores en la fabricación o el
maquinado en máquinas rotativas.
4.5. Registro y análisis de vibraciones
Para registrar vibraciones son necesarios los siguientes elementos y equipos:
1) Un sistema captador analógico que transforme la aceleración de la pieza
que está sometida a vibración en una señal eléctrica analógica. El elemento
que realiza esta función es el acelerómetro. Normalmente se utilizan dos
acelerómetros montados en dos direcciones ortogonales, aunque también a
veces se suelen colocar en la misma dirección según lo que se pretenda medir.
2) Un equipo para registrar la señal y grabar la misma en un soporte físico
como puede ser cinta magnética o disquete de ordenador en código ASCII, con
al menos la posibilidad de grabación de dos canales independientes el uno del
otro para las dos señales de los acelerómetros.
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3) Un microprocesador que calcule la transformada de Fourier de las señales
captadas por los acelerómetros y grabadas en el soporte físico para obtener el
espectro de frecuencias.
Normalmente los equipos 2) y 3), es decir el equipo de grabación y el
microprocesador de análisis, vienen ya en un mismo equipo que se denomina
Analizador Espectral de Señales.
4) Un ordenador para poder estudiar los espectros grabados mediante el
análisis numérico de los mismos.
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