Mantenimiento Industrial (Recopilación - II Técnicas)

MANTENIMIENTO INDUSTRIAL II (Recopilacin)2010ANTONIO ROS MORENO

MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

MANTENIMIENTO"Cuando todo va bien, nadie recuerda que existe" "Cuando algo va mal, dicen que no existe" "Cuando es para gastar, se dice que no es necesario" "Pero cuando realmente no existe, todos concuerdan en que debera existir" A.SUTE

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MANTENIMIENTO INDUSTRIAL (Recopilacin)

PARTE I.Introduccin. Consideraciones Fundamentales. Gestin del Mantenimiento. PARTE II.Tcnicas Especficas de Mantenimiento. El Futuro del Mantenimiento. PARTE III.Ejecucin del Mantenimiento. Ejemplo de un Plan de Mantenimiento.

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INDICE - II:4.- TCNICAS ESPECFICAS DE MANTENIMIENTO 4.1.- Anlisis de Fiabilidad de Equipos 4.1.1.- Introduccin 4.1.2.- Definiciones bsicas 4.1.3.- Teora de la fiabilidad 4.1.4.- Leyes Estadsticas 4.1.5.- Modos de fallo y modelos de indisponibilidad 4.1.6.- Fiabilidad de los Sistemas 4.1.7.- Sistemas Complejos. Mtodo del rbol de Fallos 4.1.8.- Mantenibilidad. Disponibilidad 4.2.- Alineacin de Ejes 4.2.1.- Importancia de la alineacin 4.2.2.- Concepto de alineacin y tipos de desalineamiento 4.2.3.- Reglas y nivel 4.2.4.- Reloj comparador 4.2.5.- Sistema de rayo lser 4.2.6.- Correccin por condiciones de servicio 4.2.7.- Tolerancias de alineacin 4.2.8.- Desalineacin de correas 4.3.- Equilibrado de Rotores 4.3.1.- Importancia del equilibrado 4.3.2.- Causas de desequilibrio 4.3.3.- Tipos de desequilibrio y efectos 4.3.4.- Reduccin del desequilibrio 4.3.5.- Valores permisibles del desequilibrio permanente en rotores 4.3.6.- Proceso general de Equilibrado 4.3.7.- Equilibrado Esttico 4.3.8.- Mquinas de Equilibrado Esttico 4.3.9.- Desequilibrio y Equilibrado Dinmico 4.3.10.- Mquinas de Equilibrado Dinmico 4.3.11.- Equilibrado in situ 4.4.- Diagnstico de Fallos en Equipos 4.4.1.- Anlisis de fallos en componentes mecnicos 4.4.2.- Anlisis de averas en mquinas de procesos4


4.5.- Mecanismos de Desgaste y Tcnicas de Proteccin 4.5.1.- Mecanismos y modos de desgaste 4.5.2.- Tcnicas de tratamiento superficial 4.5.3.- Seleccin de tratamientos 4.6.- Anlisis de Averas 4.6.1.- Introduccin 4.6.2.- Justificacin 4.6.3.- Fallos y averas de los sistemas 4.6.4.- Mtodos de anlisis de averas 4.6.5.- Como llevar a cabo un anlisis de averas 4.6.6.- Informe de anlisis de averas 4.6.7.- Anlisis de fallos y medidas preventivas 4.6.8.- Ejemplo de Anlisis de Averas 4.6.9.- Herramientas para el anlisis de averas 4.7.- Tcnicas de Mantenimiento Predictivo 4.7.1.- Definicin y principios bsicos 4.7.2.- Parmetros para control de estado 4.7.3.- Establecimiento del mantenimiento predictivo 4.7.4.- Tcnicas de mantenimiento predictivo 4.8.- Anlisis de la degradacin y contaminacin del aceite 4.8.1.- Introduccin 4.8.2.- Viscosidad 4.8.3.- Punto de inflamacin 4.8.4.- Acidez/Basicidad 4.8.5.- Insolubles 4.8.6.- Detergencia/Dispersividad 4.8.7.- Contaminacin del aceite 4.8.8.- Espectrometra 4.8.9.- Ferrografa 4.8.10.- Anlisis de la mancha de aceite 4.8.11.- Normas ASTM 4.8.12.- Control de aceites en servicio 4.9.- Anlisis de Vibraciones 4.9.1.- Conceptos fundamentales 4.9.2.- Instrumentos de medida de vibracin5


4.9.3.- Establecimiento de un programa de medidas de vibraciones 4.9.4.- Diagnstico de problemas por anlisis de vibraciones 4.9.5.- Valores lmites admisibles 4.9.6.- Monitorizacin de equipos 4.10.- Planificacin de tareas 4.10.1.- Introduccin 4.10.2.- Planificacin de tiempos 4.10.3.- Planificacin de cargas 4.10.2.- Planificacin de costos 5.- EL FUTURO DEL MANTENIMIENTO 5.1.- Introduccin 5.2.- Tendencias actuales 5.3.- Gestin del Mantenimiento Asistido por Ordenador 5.3.1.- Implantacin y beneficios del GMAO 5.3.2.- El mercado de GMAO 5.4.- Diagnstico Mediante Sistemas Expertos 5.4.1.- Componentes de un S.E. 5.4.2.- Justificacin del uso de un Sistema Experto

BIBLIOGRAFA.

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4. TCNICAS ESPECFICAS DE MANTENIMIENTOEn las ltimas dcadas, como ya se ha indicado, las estrictas normas de calidad y la presin competitiva han obligado a las empresas a transformar sus departamentos de mantenimiento. Estos cambios suponen pasar de ser un departamento que realiza reparaciones y cambia piezas o mquinas completas, a una unidad con un alto valor en la productividad total de la empresa, mediante la aplicacin de nuevas tcnicas y prcticas. En la situacin actual es imprescindible, tanto en las grandes como en las medianas empresas, la implantacin de una estrategia de mantenimiento predictivo para aumentar la vida de sus componentes, mejorando as la disponibilidad de sus equipos y su confiabilidad, lo que repercute en la productividad de la planta. La gestin del mantenimiento ha evolucionado mucho a lo largo del tiempo. El mantenimiento industrial, da a da, est rompiendo con las barreras del pasado. Actualmente, muchas empresas aplican la frase: el mantenimiento es inversin, no gasto. El primer mantenimiento llevado a cabo por las empresas fue el llamado mantenimiento correctivo, tambin llamado mantenimiento de emergencia. Esta clase de mantenimiento consiste en solucionar los problemas de los equipos cuando fallan, reparando o sustituyendo las piezas o equipos estropeados. Estas tcnicas quedaron obsoletas, ya que, si bien el programa de mantenimiento est centrado en solucionar el fallo cuando se produce, va a implicar altos costes por descenso de la productividad y mermas en la calidad. De esta situacin surge el mantenimiento preventivo, que consiste en revisar de forma peridica los equipos y reemplazar ciertos componentes en funcin de estimaciones estadsticas, muchas veces proporcionadas por el fabricante. Con este mantenimiento se reduce el coste del mantenimiento no planeado y los fallos imprevistos, de forma que se incrementa la confiabilidad en los equipos pero su principal inconveniente es que presenta unos costes muy elevados, ya que genera gastos excesivos y muchas veces innecesarios. En la dcada de los noventa se observa una nueva tendencia en la industria, el llamado mantenimiento predictivo o mantenimiento basado en la condicin de los equipos. Se basa en realizar mediciones peridicas de algunas variables fsicas relevantes de cada equipo mediante los sensores adecuados y, con los datos obtenidos, se puede evaluar el estado de confiabilidad del equipo. Su objetivo es ofrecer informacin suficiente, precisa y oportuna para la toma de decisiones. Predecir significa ver con anticipacin. Con el conocimiento de la condicin de cada equipo podemos hacer el mantenimiento adecuado en el momento7


adecuado anticipndonos a los problemas. Por eso se dice que es un mantenimiento informado. En una organizacin estas tres estrategias de mantenimiento no son excluyentes, si no que cuando una empresa se plantea qu estrategia de mantenimiento seguir, normalmente la respuesta es una combinacin de los tres tipos de mantenimiento anteriores. En este marco, es necesario exponer algunas de las ms importantes tcnicas aplicables en el mantenimiento industrial, imprescindibles para avanzar por el camino anticipativo y de mejora continua. Entre las tcnicas ms importantes podemos citar las siguientes: - Anlisis de fiabilidad de equipos. - Alineacin de ejes. - Equilibrado de rotores. - Mto. Correctivo: Diagnstico de fallos en equipos. - Mto. Correctivo: Mecanismos de desgaste y tcnicas de proteccin. - Anlisis de averas. - Tcnicas de mantenimiento predictivo. - Inspecciones visuales y lectura de indicadores. - Inspecciones boroscpicas. - Diagnstico de averas por anlisis de la degradacin y contaminacin del aceite. - Diagnstico de averas por anlisis de vibraciones. - Termografa infrarroja.

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4.1. Anlisis de Fiabilidad de Equipos 4.1.1. IntroduccinLas empresas buscan asegurar y mejorar su competitividad por medio de los esfuerzos, acciones y decisiones orientadas a garantizar sistemas y equipos operando de manera eficiente y eficaz, riesgos reducidos, cero incidentes ambintales y costos ptimos. As los propietarios, la comunidad, los empleados y los clientes se sienten en un entorno Confiable. Esto significa que para poder mostrar que se es competitivo y exitoso, es necesario usar mediciones de factores clave como son: la calidad, la productividad, la rentabilidad, la imagen, la seguridad y la integridad ambiental que en su conjunto expresan el desempeo. A estos factores las empresas han agregado otro muy importante como la Fiabilidad. Muchas personas asocian la fiabilidad y la disponibilidad de los equipos en forma directa y exclusiva con las actividades del mantenimiento, sin embargo, la verdadera causa raz de los problemas de disponibilidad y confiabilidad, normalmente comienzan mucho antes de que el mantenimiento sea requerido. En estos momentos Fiabilidad es la palabra de moda, la pregunta es Los responsables del mantenimiento conocen conscientemente las mejores prcticas y tcnicas para buscar la Optima Fiabilidad?. La fiabilidad es concebida durante la etapa de diseo por el equipo o personal de ingeniera, donde aspectos claves como la fiabilidad intrnseca de cada componente y el mantenimiento deben ser considerados, posteriormente la fiabilidad de los equipos ser condicionada por las mejores prcticas que se hayan incorporado durante la etapa de construccin, montaje e instalacin y finalmente por la operacin del equipo reflejado en buenas prcticas de trabajo para su buen funcionamiento. Existen empresas que han ido ms all de considerar la estadstica y han revisado sus prcticas internas, efectuando comparaciones con las que son destacadas en dicho proceso. Estas organizaciones llegaron a la conclusin de que es imposible hablar de fiabilidad como una cifra nica, por lo tanto es necesario usar diversas mediciones como indicadores fundamentales de entrada y salida de los procesos. El concepto ms conocido para definir que es fiabilidad es: La probabilidad de que un equipo o sistema opere sin fallos durante un tiempo (t) determinado, en unas condiciones ambientales dadas. Ms sencillamente, fiabilidad es la probabilidad de que un sistema o producto funcione.

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Para los sistemas y productos de un solo servicio, (como un misil o los motores de un cohete de combustible slido), la definicin se reduce a la probabilidad de funcionar en las condiciones previstas. La teora de la fiabilidad es el conjunto de teoras y mtodos matemticos y estadsticos, procedimientos y prcticas operativas que, mediante el estudio de las leyes de ocurrencia de fallos, estn dirigidos a resolver problemas de previsin, estimacin y optimizacin de la probabilidad de supervivencia, duracin de vida media y porcentaje de tiempo de buen funcionamiento de un sistema. En conclusin, la planificacin de la fiabilidad exige la comprensin de las definiciones fundamentales. 1. Cuantificacin de la fiabilidad en trminos de probabilidad. 2. Clara definicin de lo que es un buen funcionamiento. 3. Del ambiente en que el equipo ha de funcionar. 4. Del tiempo requerido de funcionamiento entre fallos. Si no es as, la probabilidad es un nmero carente de significado para los sistemas y productos destinados a funcionar a lo largo del tiempo. La necesidad de fiabilidad en las instalaciones es tan antigua como la humanidad, pero es innegable que la creciente importancia de los temas ambientales y de seguridad han conducido a la necesidad de cambiar nuestra perspectiva debido a: - Alta presin para disminuir los costos y poder competir - Mayor nmero de funciones operacionales realizadas por equipos y mquinas - Mayores dificultades para hacer intervenciones de mantenimiento, debido al aumento en utilizacin de los equipos. - Tendencias a usar componentes informticos, electrnicos, neumticos e hidrulicos que tienen comportamientos diferentes de desgaste con relacin a los componentes que fallan en funcin de la edad. - Legislaciones actuales cada vez ms exigentes y poco tolerantes.

En la actualidad, la fiabilidad tiene sus orgenes en la aeronutica (seguridad de funcionamiento). Un paso significativo se dio en Alemania cuando se trabaj con el misil V1. Von Braun consideraba errneamente que en una cadena de componentes,10


cuyo buen funcionamiento era esencial para el correcto funcionamiento del conjunto, la probabilidad de fracaso dependa exclusivamente del funcionamiento del componente ms dbil. Erich Pieruschka (matemtico del equipo) dio vida a la frmula de la fiabilidad del sistema a partir de la fiabilidad de los componentes, que permite afirmar que la fiabilidad del conjunto es siempre inferior a la de sus componentes individuales. Posteriormente en el sector militar en EEUU, para garantizar el funcionamiento de sistemas electrnicos y finalmente en el industrial, para garantizar la calidad de los productos y eliminar riesgos de prdidas valiosas, dieron el impulso definitivo para su paulatina implantacin en otros campos.

4.1.2. Definiciones bsicasLas definiciones necesarias y bsicas para comenzar el estudio de fiabilidad son las siguientes (incluida la de fiabilidad ya definida con anterioridad): - Fallo: Es toda alteracin o interrupcin en el cumplimiento de la funcin requerida. - Fiabilidad (de un elemento): Es la probabilidad de que funcione sin fallos durante un tiempo (t) determinado, en unas condiciones ambientales dadas. - Mantenibilidad: Es la probabilidad de que, despus del fallo, sea reparado en un tiempo dado. - Disponibilidad: Es la probabilidad de que est en estado de funcionar (ni averiado ni en revisin) en un tiempo dado.

Si adoptamos, para simplificar, que el esquema de vida de una mquina consiste en una alternancia de "tiempos de buen funcionamiento" (TBF) y "tiempos de averas" (TA):

Figura 12

11


en los que cada segmento tiene los siguientes significados: TBF: Tiempo entre fallos TA: Tiempo de parada TTR: Tiempo de reparacin TO: Tiempo de operacin n: Nmero de fallos en el periodo considerado

podemos definir los siguientes parmetros como medidas caractersticas de dichas probabilidades: a) El tiempo medio entre fallos (MTBF) como medida de la Fiabilidad:

???????????????????????? =

?????? 0

???????????????????????? [??????????????????] ??????

y su inversa () conocida como la tasa de fallos:

=

1 [N de fallos/Ao] MTBF

b) El tiempo medio de reparacin (MTTR) como medida de la Mantenibilidad:

???????????????????????? =

?????? 0

???????????????????????? [??????????????????] ??????

y su inversa () conocida como la tasa de reparacin:

12


=

1 [N de Repasraciones/Ao] MTTR

c) La disponibilidad (D) es una medida derivada de las anteriores:

?????? =

?????? 1

???????????????????????? = ????????????

???????????????????????? = ???????????????????????? + ??????????????????

???????????????????????? /?????? ???????????????????????? = ???????????????????????? /?????? + ?????????????????? /?????? ???????????????????????? + ????????????????????????

Es decir, la disponibilidad es funcin de la fiabilidad y de la mantenibilidad.

Otra medida de la fiabilidad es el factor de fiabilidad:

???????????? =

???????????? ?????????????????? ????????????

donde: HT: Horas totales del periodo HMC: Horas de Mantenimiento Correctivo (Averas) HMP: Horas de Mantenimiento Preventivo (programado)

Y otra medida de la disponibilidad es el factor de disponibilidad:

???????????? =

???????????? ?????????????????? ?????????????????? ????????????

donde se pone claramente de manifiesto que la disponibilidad es menor que la fiabilidad, puesto que al contabilizar el tiempo de buen funcionamiento, en la13


disponibilidad se prescinde de todo tipo de causas posibles (se incluye el tiempo de mantenimiento preventivo programado):

?????? =

???????????? ?????? ?????????????????? 0 ????????????

Sin embargo en el clculo de la fiabilidad, al contabilizar el tiempo de buen funcionamiento, no se incluye el tiempo de mantenimiento preventivo programado. El esquema siguiente es un resumen de los parmetros que caracterizan la vida de los equipos:

Figura 13

14


4.1.3. Teora de la fiabilidadHemos definido antes la FIABILIDAD como la probabilidad de que un elemento, conjunto sistema funcione sin fallos, durante un tiempo dado, en unas condiciones ambientales dadas. Ello supone: a) Definir de forma inequvoca el criterio que determina si el elemento funciona no. b) Que se definan claramente las condiciones ambientales y de utilizacin y se mantengan constantes. c) Que se defina el intervalo t durante el cual se requiere que el elemento funcione.

-Para evaluar la fiabilidad se usan dos procedimientos: a) Usar datos histricos. Si se dispone de muchos datos histricos de aparatos iguales durante un largo perodo no se necesita elaboracin estadstica. Si son pocos aparatos y poco tiempo hay que estimar el grado de confianza. b) Usar la fiabilidad conocida de partes para calcular la fiabilidad del conjunto. Se usa para hacer evaluaciones de fiabilidad antes de conocer los resultados reales.

-Consideramos t "tiempo hasta que el elemento falla" como variable independiente (perodo al que se refiere la fiabilidad). .Funcin de distribucin de probabilidad: f (t) .Probabilidad de que el elemento falle en instante t: f (t) dt

Figura 14

15


.Probabilidad de que falle en el instante t antes (infiabilidad):

??????

??????(??????) =0

?????? ?????? ????????????

donde F(t) es la funcin de distribucin de probabilidad acumulada

??????

?????? ?????? ???????????? = 1 (???????????????????????? ???????????????????????????????????????????????? ?????????????????????????????? ?????????????????? ????????????????????????????????????)0

.Fiabilidad, R(t), Probabilidad de que funcione todava en el instante t:

??????(??????) = 1 ??????(??????)

??????

??????(??????) = 1 0

?????? ?????? ????????????

.Tasa de fallos, (t), es la funcin de distribucin de Probabilidad (condicional) de un elemento que ha funcionado bien hasta el instante t, y falla en el tiempo comprendido entre t y t+dt. .Vase la diferencia entre f (t) y (t): -f (t) dt representa la fraccin de poblacin que falla entre t y t+dt, respecto una poblacin sana en t=o (original). - (t)dt representa la fraccin de poblacin que falla entre t y t+dt, respecto una poblacin sana en el momento t (es menos numerosa, como mximo igual a la poblacin original).16


.f (t) dt es una probabilidad a priori, referida al instante inicial de funcionamiento. . (t)dt es una probabilidad a posteriori, condicionada a la informacin cierta de que el aparato ha funcionado bien hasta el momento t.

Relacin entre fiabilidad R(t) y tasa de fallos ??????(t)

?????? ?????? ???????????? = ?????? ?????? ?????? ?????? ???????????? (???????????????????????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????????????????????????????????????????????????????????)

Prob.de que falle en perodo t+dt = Prob.de que funcione todava en t x Prob.de que falle en t+dt, estando bien en t. .Recordando que:

??????(??????) =

????????????(??????) ????????????(??????) = ???????????? ????????????

????????????(??????) = ?????? ?????? ???????????? = ?????? ?????? ?????? ?????? ????????????

Separando variables:

????????????(??????) = ?????? ?????? ???????????? ??????(??????)

e integrando entre 0 y t:

ln ??????(??????) ln ??????(0) =

?????? 0

?????? ?????? ????????????

??????(??????) = ??????

?????? 0 ??????

?????? ????????????

17


ya que ln R (0)= 0 porque R (0)= 1. La frmula anterior que es la fiabilidad en funcin de la tasa de fallos, junto con las siguientes:

?????? ?????? = ?????? ?????? ?????? ?????? = ?????? ?????? ??????

?????? 0 ??????

?????? ????????????

(?????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????????? ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????????? ???????????????????????????????????? ???????????? ???????????? ???????????????????????? ???????????? ????????????????????????????????????)

?????? ?????? = 1 ?????? ?????? = 1 ??????

?????? 0 ??????

?????? ????????????

(???????????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????????? ???????????????????????????????????? ???????????? ???????????? ???????????????????????? ???????????? ????????????????????????????????????)

constituyen tres relaciones, entre cuatro funciones [f (t), F (t), R (t), (t)], por lo que conociendo una cualquiera de ellas, se conocen las otras tres.

Anlisis de la funcin tasa de fallos ??????(t) .Tiene la dimensin inversa de un tiempo, por lo que puede interpretarse como "Nmero de fallos en la unidad de tiempo". -Al representarla grficamente para una poblacin homognea de componentes, a medida que crece su edad t:

Figura 15

18


resulta ser la llamada curva de la baera, en la que se distinguen claramente tres perodos: A: .Perodo de Mortalidad Infantil .Fallos de rodaje, ajuste o montaje .La tasa de fallos es decreciente .Propio de componentes de Tecnologa Mecnica.

B: .Perodo de Fallos por azar (o aleatorios) .Tasa de fallos constante .Propio de materiales de Tecnologa elctrica/electrnica. C: .Perodo de Fallos por Desgaste Vejez .Tasa de fallos creciente .Propio de materiales de Tecnologa mecnica electromecnica (desgaste progresivo).

En general, la curva (t) resulta de la superposicin de la curva (a) asociada a los defectos iniciales tras la puesta en servicio y la curva (b) que marca los fenmenos de desgaste o deterioro de la funcin.

Figura 16

De manera que, dependiendo de la influencia de cada uno de los fenmenos mencionados, la tasa de fallo tendr una forma distinta. As en los equipos mecnicos predominan los fenmenos asociados al desgaste y su tasa de fallo crece con el tiempo:

19


Figura 17

En los ltimos aos ha habido una polmica considerable acerca de la exactitud de la descripcin proporcionada por la curva de la baera. En vista de las pautas de obsolescencia y de los nuevos resultados de las investigaciones, existen razones para poner en duda el concepto. No obstante, como subraya la relacin existente entre la fiabilidad de los dispositivos y la forma de la funcin de riesgo, la idea de la curva de la baera proporciona un punto de partida excelente para la definicin de los modelos de distribucin de probabilidades. La estadstica ha demostrado que, tras estudiar el comportamiento de los equipos en una planta industrial, el ciclo de vida de la mayora de los equipos no se corresponde nicamente con la curva de baera, sino que se diferencian 6 tipos de curvas:

Figura 18

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Curiosamente, la mayor parte de los equipos no se comportan siguiendo la curva A curva de baera. Los equipos complejos se comportan siguiendo E, en el que la probabilidad de fallo es constante a lo largo de su vida, y el modelo F, en el que tras una etapa inicial con una mayor probabilidad de fallo infantil, la probabilidad de fallo se estabiliza y permanece constante. Eso hace que no sea identificable un momento en el que realizar una revisin sistemtica del equipo, con la sustitucin de determinadas piezas, ante la imposibilidad de determinar cul es el momento ideal, pues la probabilidad de fallo permanece constante. Incluso, puede ser contraproducente si curva de probabilidad sigue el modelo F, pues estaramos introduciendo mayor probabilidad de fallo infantil al sustituir determinadas piezas:

Figura 19

Por todo ello, en muchas plantas industriales es conveniente abandonar la idea de un mantenimiento sistemtico para una buena parte de los equipos que la componen, y recurrir a las diversas tcnicas de mantenimiento condicional o predictivo.

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4.1.4. Leyes EstadsticasAhora vamos a ver la forma de estas funciones para cada uno de los tres aspectos de la funcin (t): constante, creciente y decreciente. a) = cte. Ley exponencial ??????(??????) = ?????? ???????????? (exponencial negativa)

?????? ?????? = 1 ?????? ???????????? ??????(??????) = ???????????? ???????????? ???????????????????????? = 1 ??????

b) (t) es variable. Ley de Weibull. Ley con tres parmetros que permiten ajustar las tasas de fallos crecientes decrecientes.

??????(??????) =

???????????? ?????? ?????? ??????

: Parmetro de forma > 0 : Parmetro de escala > 0 : Parmetro de posicin - < < +

Figura 21

22


?????? ?????? = 1 ?????? ?????? ?????? = ?????? ?????? ?????? ??????

???????????? ?????? ?????? ?????? ?????? 1 ???????????? ?????? ?????? ??????

??????(??????) =

?????? ??????

?????? ?????? ??????

?????? 1

Si

< 1. decrece. Perodo A = 1. constante. Perodo B > 1. crece. Perodo C

De forma simplificada:

??????(??????) = ?????? (??????/??????)

??????

t: variable de duracin 0 < t < T: duracin caracterstica, T > 0 : parmetro de forma ?????? ?????? = 1 ?????? (??????/??????) ?????? ?????? ??????(??????) = ?????? ?????? ?????? ?????? ??????(??????) = ?????? ???????????? 1??????

?????? (??????/??????)

??????

?????? 1

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Si

< 1. decrece. Fallos infantiles = 1. constante. Fallos aleatorios > 1. crece. Fallos por desgaste

Para un perodo de tiempo t, igual a la duracin caracterstica T:

?????? ?????? = 1 ?????? 1 = 1

??????

1 = 0,632 ??????

La duracin caracterstica T es la duracin hasta que han fallado el 63,2% de la poblacin. -Representando la funcin de Weibull grficamente con escala doble logartmica en ordenadas y logartmica en abscisas, R(t) adopta forma de recta de pendiente . En dicho grfico es posible determinar la fiabilidad R para cualquier duracin t. Sin embargo, la aplicacin de las tcnicas estadsticas permiten una estimacin ms precisa. -El conocimiento de las leyes de evolucin de (t) en funcin del tiempo puede ser til para establecer la poltica de mantenimiento ms adecuada para cada tipo de componente de los equipos. En componentes de tasa de fallo constante un cambio de pieza no aporta una mayor fiabilidad, es ms, presentara un valor de fiabilidad menor al principio de su puesta en servicio, por posibles defectos de fabricacin. Sin embargo, en componentes con tasa de fallo creciente con el tiempo est perfectamente justificada la sustitucin preventiva antes de que la tasa de fallos alcance un valor inadmisible.

4.1.5. Modos de fallo y modelos de indisponibilidadLos equipos pueden manifestar sus fallos en tres intervalos de tiempo: mientras estn en espera, cuando se demanda su actuacin o cuando estn en operacin o funcionamiento. Los parmetros que a continuacin se definen sern utilizados para el clculo de las indisponibilidades de los sucesos bsicos mediante las expresiones matemticas que procedan para cada modo de fallo.

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- Tasa de fallos (??????): Esta determinada por el nmero de fallos que ocurren en un equipo dividido por el tiempo transcurrido. - Tasa de fallos en operacin (??????o): Esta determinada por el nmero de fallos que tiene un equipo cuando est en operacin dividido por el tiempo de operacin en el que ocurren los fallos. - Tasa de fallos en espera (??????s): Esta determinada por el nmero de fallos que tiene un equipo cuando est en espera dividido por el tiempo de espera en el que ocurren los fallos. - Indisponibilidad (F): Es el parmetro que en trminos probabilsticos define la no disponibilidad de un equipo en un cierto instante de tiempo. - Indisponibilidad por demanda (Fd): Es el nmero de fallos que tiene un equipo en la demanda de actuacin dividido por el nmero de demandas efectuadas. - Tiempo de operacin (TO): Es el tiempo en que un equipo est en funcionamiento o en operacin. - Tiempo entre pruebas (Tep): Es el intervalo de tiempo entre revisiones peridicas de un equipo. - Tiempo de prueba (Tp): Es el tiempo medio que dura la prueba o revisin de un equipo. - Tiempo de reparacin (TTR): Es el tiempo medio de reparacin de un equipo que se ha detectado fallado.

La funcin indisponibilidad, definida por la ecuacin ?????? ?????? = 1 ?????? 0 ?????? ?????? ???????????? se particulariza para cada modo de fallo, adquiriendo expresiones matemticas diferentes:

??????

Fallo en espera Se produce en componentes que estn en espera para entrar en operacin y estando en este estado fallan. Ejemplos de este tipo de componentes son las vlvulas de seguridad, las bombas de refrigeracin, redundantes o no, pero que no estn refrigerando en ese periodo, los grupos electrgenos, las alarmas, etc. Los mecanismos por los que estos componentes fallan son dependientes del tiempo, por corrosin o suciedad, envejecimiento, etc. y la tasa de fallos se ajusta a una distribucin exponencial25


??????(??????) = ????????????

por lo que la indisponibilidad puntual adquiere la expresin:

?????? ?????? = 1 ?????? ?????? ?????? ??????

Estos componentes pueden ser probados peridicamente o no, siendo la indisponibilidad media distinta en cada caso. - Componentes en espera sometidos a pruebas peridicas: la indisponibilidad media en el intervalo entre pruebas Tep es:

?????? = 1 +

1 ???????????? ?????? ?????????????????? 1 ???????????? ??????????????????

- Componentes en espera no sometidos a pruebas peridicas: la indisponibilidad media en el tiempo que le queda al componente es:

?????? = 1 +

?????? ?????? ?????? ?????????????????? ?????? ?????? ?????? ???????????? ???????????? ?????????????????? ????????????

donde Tvp y Tv son el tiempo de vida previsto del componente y el tiempo que lleva en funcionamiento, respectivamente.

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Indisponibilidad por pruebas Asociada a componentes en espera que son probados o revisados peridicamente con un intervalo Tep y en los que las revisiones les hace estar indisponibles durante el tiempo de pruebas Tp.

?????? =

???????????? ??????????????????

Indisponibilidad por mantenimiento preventivo Asociada a componentes a los que se realiza mantenimiento preventivo con un ciclo de duracin Tm, dejndolos indisponibles durante el tiempo de reparacin TTR.

?????? =

?????????????????? ????????????

Fallo en demanda Se da en componentes que fallan cuando se les demanda un cambio de estado, por ejemplo cuando el componente est funcionando y se le demanda que pare o cuando el componente est en espera y se le demanda que entre en operacin, fallando en el arranque. Se le asocia la distribucin estadstica binomial, ya que la demanda solo puede tomar dos valores, xito o fracaso:

?????? = ???????????? =

?????? ??????

donde x y n son el nmero de fallos en demanda y el nmero de demandas efectuadas, respectivamente.

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Fallo en operacin Se da en componentes que fallan durante el tiempo de operacin TO. La tasa de fallos se ajusta a la distribucin exponencial:

??????(??????) = ????????????

Por lo que la probabilidad de que un componente en operacin falle antes de que finalice el tiempo de operacin est determinada por:

?????? = 1 ?????? ?????? ?????? ????????????

Fallo humano Son fallos producidos en componentes debido a un error humano en su operacin. Este modo de fallo se encuentra tratado de forma sucinta en las Notas Tcnicas de Prevencin 360 (Fiabilidad humana: conceptos bsicos) y 377 (Fiabilidad humana: mtodos) del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo

4.1.6. Fiabilidad de los SistemasTratamos ahora de establecer la relacin que liga la fiabilidad de un sistema complejo con la de sus componentes individuales. La fiabilidad de un sistema no es otra que la probabilidad de ocurrencia del acontecimiento "NO HAY FALLOS", lo cual es, a su vez, resultado de una serie de acontecimientos ms simples. Las partes componentes del sistema se pueden comportar, desde el punto de vista de la fiabilidad de forma independiente no. El funcionamiento, desde el punto de vista de la fiabilidad, de un sistema se representa mediante esquemas de bloques adecuadamente conectados, de forma que cada bloque representa un elemento subsistema.

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Estos esquemas no corresponden con los esquemas funcionales de la instalacin (No hay correspondencia con el despiece fsico), sino que representan la dependencia lgica del acontecimiento "fallo del sistema".

a) Sistemas en serie. El fallo de uno cualquiera de sus componentes determina el fallo del sistema completo

Figura 22

1

2

3

n

?????? ?????? = ??????1 ?????? . ??????2 ?????? . ???????????? (??????) = ?????? ?????????????????? (??????) = ??????(??????) 1

Si

= cte. entonces

1 ?????????????????????????????? = ????????????

1 ???????????????????????? = ????????????

??????

???????????? =1

????????????

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b) Sistemas en paralelo. Basta que funcione un elemento para que funcione todo el sistema.

1

Se llaman tambin sistemas redundantes. En este caso se simplifican los clculos usando la funcin infiabilidad ?????? ?????? = 1 ??????(??????)

2

3

nde manera que F(t)=F1(t) x F2(t) x...x Fn(t)

Figura 23

con lo que

1 ?????? ?????? = 1 ??????1 ?????? ?????? 1 ??????2 ?????? ?????? ?????? 1 ???????????? ?????? ?????? ?????? = 1 ?????? ??????(1 ???????????? ?????? ) 1

Cuantos ms elementos hay en paralelo, mejor es la fiabilidad.

???????????? = ?????? ?????????????????? 1

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4.1.7. Sistemas Complejos. Mtodo del rbol de FallosNormalmente, en los equipos, los componentes forman un sistema complejo que en parte son subsistemas en serie y en parte subsistemas en paralelo. De los diversos mtodos existentes para estudiar la fiabilidad de sistemas complejos el que mejor se adapta a un tratamiento informtico es el MTODO DEL RBOL DE FALLOS. Consiste en descomponer, escalonadamente, la ocurrencia de un suceso en un sistema lgico secuencial integrado por unidades (elementos) operativos independientes, hasta alcanzar los sucesos tomados como iniciales (primarios). Cada unidad queda identificada por su denominacin y la funcin (operacin-fallo) que se espera de ella.

Los estados en que pueden encontrarse las unidades son dos: Operativo-Fallo. A partir del suceso en estudio se responde a la pregunta: qu se necesita para funcionar? R(t) qu se necesita para que falle? (t) Segn lo que se busque.31


Para la representacin grfica de los rboles de fallos y con el fin de normalizar y universalizar la representacin se han elegido ciertos smbolos que se representan en las siguientes tablas:

32


Se comienza eligiendo el suceso final objeto del anlisis. A partir de aqu se van determinando los sucesos previos inmediatos que, por combinacin lgica, pueden ser su causa. El proceso se repite hasta alcanzar una serie de "sucesos bsicos", denominados as porque no precisan de otros anteriores a ellos para ser explicados. Tambin alguna rama puede terminar por alcanzar un "suceso no desarrollado" en otros, sea por falta de informacin o por la poca utilidad de analizar las causas que lo producen. Los nudos de las diferentes puertas y los "sucesos bsicos o no desarrollados" deben estar claramente identificados. Estos "sucesos bsicos o no desarrollados" que se encuentran en la parte inferior de las ramas del rbol se caracterizan por los siguientes aspectos: - Son independientes entre ellos. - Las probabilidades de que acontezcan pueden ser calculadas o estimadas.

Para ser eficaz, un anlisis por rbol de fallos debe ser elaborado por personas profundamente conocedoras de la instalacin o proceso a analizar y que a su vez conozcan el mtodo y tengan experiencia en su aplicacin; por lo que, si se precisa, se debern constituir equipos de trabajo pluridisciplinarios (tcnico de seguridad, ingeniero del proyecto, ingeniero de proceso, etc.) para proceder a la reflexin conjunta que el mtodo propicia. Una vez desarrollado para cada suceso preestablecido, es posible determinar cualitativa y cuantitativamente la fiabilidad del sistema. El anlisis cualitativo permite determinar los sucesos (fallos mnimos) que deban presentarse (condicin necesaria y suficiente) para que ocurra el suceso principal. El anlisis cuantitativo (mediante el lgebra de Boole) determina la fiabilidad del sistema si se conocen la de los distintos elementos o sucesos primarios.

La modelizacin del sistema mediante el rbol de fallos o errores y el anlisis cualitativo y cuantitativo del mismo estn tratados en la NTP-333 "Anlisis probabilstico de riesgos: Metodologa del rbol del fallos y errores", a la que se remite al lector para su mejor comprensin.

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Ejemplo: Fallos de una linterna elctrica de mano para que no funcione.

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Si Fi representa la tasa de fallo de cada evento: F0 = F1 . F2 F2 = F3 + F4 F4 = F5 + F6 F0 = F1 . (F3 + F5 + F6) = F1 . F3 + F1 . F5 + F1 . F6

Cuando es conocida la probabilidad de cada suceso primario, es posible calcular la del fallo principal. (Datos histricos/Datos de fabricantes). De esta forma se determina si es aceptable no el fallo principal, y nos ayuda a: - Determinar la fiabilidad de elementos, subsistemas y sistemas. -Analizar la fiabilidad de distintos diseos (anlisis comparativo). -Identificar componentes crticos, que pueden ser causa de sucesos indeseables. - Analizar fallos crticos que previamente han sido identificados por un anlisis AMFE. Como consecuencia de estos anlisis podemos decir que el mtodo del rbol de fallos se podra utilizar para: - Evidenciar la fiabilidad de un sistema - Comparar con la de otros sistemas - Proponer modificaciones en el diseo e incluso para establecer el plan de su mantenimiento preventivo (gamas y frecuencia). Para facilitar el anlisis cuantitativo, la tasa de fallos de cada suceso se asigna, a falta de datos precisos, utilizando valores relativos arbitrarios como la tabla de probabilidades relativas de la Atomic Energy of Canada Ltd.: Muy probable Probable No probable Improbable 10-2 10-3 10-4 10-535


Muy improbable Extremadamente improbable

10-6 10-7

En las puertas Y la probabilidad es igual al producto de las probabilidades. Como estn expresadas en forma de potencias de 10, slo habr que sumar exponentes: 10-3 x 10-4 = 10-7 En las puertas OR la probabilidad es igual a la suma de probabilidades. Por la misma razn (potencias de 10) se puede simplificar tomando la mayor y despreciando el resto: 10-4 + 10-3 + 10-6 10-3

Anlisis de un sistema de refrigeracin En este apartado se presenta un caso prctico de la aplicacin de los datos de fiabilidad de componentes. La aplicacin de esta metodologa puede ser tanto para el anlisis de seguridad de las instalaciones, como para mejorar su mantenimiento preventivo. Se realiza el anlisis de la disponibilidad del sistema de refrigeracin de un reactor discontinuo ("batch"), representado, esquemticamente en la figura 1. Este sistema, adems de ser un ejemplo poco complejo y relativamente fcil de analizar, corresponde a una instalacin muy extendida en la industria qumica de proceso y en particular en las PYMES del sector qumico, por ejemplo en la industria de qumica fina.

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La instalacin de refrigeracin est formada, bsicamente por dos tramos iguales y cada tramo consta de: - 1 bomba centrfuga para impulsar el agua (B1/B2). - 2 vlvulas de accionamiento manual para aislar la bomba (V11/V21 y V12/V22) - 1 vlvula de retencin para evitar que se produzca flujo inverso (VR1/VR2). - 1 vlvula de control, gobernada por un controlador de temperatura del reactor.

Elaboracin del rbol de fallos En el anlisis de fiabilidad del sistema de refrigeracin se ha empleado la metodologa de rbol de fallos y errores humanos (vase NTP-333). El paso previo a la elaboracin del rbol en s, es la identificacin del suceso no deseado cuya probabilidad se requiere obtener y los sucesos y circunstancias que deben concurrir para llegar al mismo. Esta etapa previa puede ser realizada por medio de: - Un anlisis histrico de accidentes en instalaciones similares, aportando experiencias similares. - Un anlisis sistemtico, empleando metodologas como el anlisis funcional de operabilidad (HAZOP) (vase NTP-238), el anlisis modal de fallos y efectos (FMEA), etc. - La experiencia del personal de la planta y del analista.

En la figura 27 se presenta el rbol de fallos utilizado para analizar la indisponibilidad del sistema. En el presente caso la indisponibilidad estudiada es la falta de refrigeracin en el reactor (suceso no deseado o Top event). Los sucesos intermedios que inciden directamente al TOP son: fallo en el tramo 1 y fallo en el tramo 2. Como se ha indicado anteriormente, los dos tramos son idnticos, por lo que, slo se comenta uno, obviamente tal duplicidad aminora significativamente la indisponibilidad total. Los sucesos considerados para analizar el posible fallo en el tramo son: - Vlvula manual V11 cerrada errneamente u obstruida. - Vlvula de retencin VR1 falla en la apertura. - Vlvula manual V12 cerrada errneamente u obstruida.37


- Fallo en la vlvula de control VC1. - Fallo en la bomba B1.

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Los sucesos considerados por los que la vlvula de control dejar de operar correctamente son, bsicamente: - Fallo del controlador de temperatura del reactor: .- Fallo de la seal de apertura SA. .- Actuacin de seal de cierre SC. - Fallo a la demanda. - Fallo en operacin. - Fallo del suministro elctrico.

El segundo suceso y el tercero son modos de fallo de la vlvula. Los sucesos considerados por los que la bomba dejar de operar correctamente o no estar disponible son, bsicamente: - Indisponibilidad de la bomba por pruebas o por mantenimiento. - Fallo a la demanda. - Fallo en operacin. - Fallo en espera. - Fallo del suministro elctrico. - Fallo del controlador de temperatura del reactor: .- Fallo de la seal de apertura SA. .- Actuacin de seal de cierre SC.

Los cuatro primeros sucesos son modos de fallo de la bomba. El fallo del suministro elctrico no se ha desglosado en ms sucesos bsicos, recibiendo el nombre de suceso no desarrollado. A este recurso se recurre cuando no se tiene ms informacin para desglosar un suceso intermedio, su desarrollo no aporta ms informacin o sus consecuencias son despreciables. En este caso, no es objeto del anlisis y no aporta ms informacin.

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El suceso anterior y los sucesos bsicos derivados de los fallos del controlador de temperatura del reactor, en la metodologa de rbol de fallos, se pueden considerar como "fallos del modo comn", ya que dichos fallos tambin son sucesos que puedan afectar a las vlvulas de control.

Anlisis cualitativo y cuantitativo del rbol de fallos El anlisis cualitativo del rbol de fallos consiste en identificar las combinaciones mnimas de sucesos bsicos que hacen que se produzca el suceso no deseado, tambin denominado en la terminologa de rboles de fallos, conjunto mnimo de fallos (de la nomenclatura anglosajona, minimal cut set). Para la determinacin de los mismos se aplica la lgica del lgebra de Boole, suponiendo que los sucesos bsicos son independientes. Con el listado de los diferentes conjuntos mnimos de fallos, se tiene una clasificacin de los caminos o combinaciones de sucesos que pueden producir el suceso no deseado. Pero si lo que se pretende es hacer una clasificacin por importancia o magnitud (de ms a menos importancia) deberamos de asignar valores a cada suceso bsico, realizando un anlisis cuantitativo. La indisponibilidad de un conjunto mnimo de fallos viene dada por el producto de las indisponibilidades de los sucesos bsicos. A su vez, la indisponibilidad total del suceso no deseado es la suma de las indisponibilidades de los conjuntos mnimos de fallos, como lmite superior. La indisponibilidad de cada suceso bsico se calcula con las expresiones matemticas descritas en el apartado "Modos de fallo y modelos de indisponibilidad" y a partir de las tasas de fallos de los componentes y de una serie de tiempos de funcionamiento del sistema (TO, Tep, Tp, etc.). Las tasas de fallos pueden ser extradas de bancos de datos de fiabilidad de reconocido prestigio internacional o de la experiencia de la planta basada en registros de fallos o averas, en concreto para el presente caso se han empleado los valores publicados por CCPs (Center for Chemical Process Safety) del AlChE (American Institute of Chemical Engineers) y los tiempos, determinados en las especificaciones de operacin del sistema, se han establecido los siguientes: - Tiempo de operacin: 1,25 h (tiempo durante el cual el sistema de refrigeracin debe funcionar correctamente, para cada proceso batch) - Tiempo entre pruebas de las bombas: 2000 h. - Tiempo en pruebas o mantenimiento de las bombas: 5 h.40


Realizando el anlisis cualitativo y cuantitativo del presente caso (tabla 13), siguiendo la metodologa descrita en la NTP-333, se ha obtenido: - 84 conjuntos mnimo de fallos: .- 3 de orden 1. .- 81 de orden 2.

Indisponibilidad total del sistema: 8,2 10-4 procesos-1 (tabla 14), esto quiere decir que de 1220 batch (o veces que se realice la operacin), probablemente en una de ellas se producir una falta de refrigeracin del reactor.

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Anlisis de importancia En todo anlisis de seguridad, es esencial identificar aquellos equipos y modos de fallos que tienen un mayor impacto en la seguridad del sistema analizado, es lo que constituye un "Anlisis de importancia" del sistema. Este tipo de anlisis permitir centrar estudios posteriores en aquellos equipos o situaciones que han propiciado los sucesos bsicos ms importantes, a la vez que marca las pautas a seguir para adoptar las medidas preventivas ms eficaces, que obviamente sern sobre aquellos equipos que muestren medidas de importancia ms significativas.

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La importancia de los sucesos bsicos puede calcularse a travs de diferentes medidas existentes, que realizan el anlisis desde diferentes puntos de vista. En este documento se han considerado tres de las medidas ms utilizadas.

a. Medida de importancia RAW (Risk Achivement Worth): se define como el cociente entre la suma de las probabilidades de los conjuntos mnimos de fallo donde aparece el componente, asumiendo para ste una probabilidad de fallo de 1 (fallo seguro), y la probabilidad total del suceso no deseado. Proporciona la degradacin del sistema en caso de ocurrir el suceso bsico. La ordenacin obtenida est basada en la disposicin estructural de los sucesos bsicos en el rbol de fallos, sin tener en cuenta explcitamente los valores reales de las indisponibilidades de los sucesos.

b. Medida de importancia RRW (Risk Reduction Worth): se define como el cociente entre la probabilidad total del suceso TOP y la suma de las probabilidades de todos los conjuntos mnimos, asumiendo para el componente una tasa de fallo nula. Esta medida proporciona los sucesos bsicos que ms contribuyen al riesgo. Identifica aquellos sucesos bsicos que si fueran perfectamente fiables, con indisponibilidad nula, conduciran a una reduccin ms importante del riesgo del sistema.

c. Medida de importancia de Fussell-Vesely: se define este factor respecto de un componente, como el cociente entre la suma de las probabilidades de todos los conjuntos mnimos que contienen a este componente y la probabilidad total (o suma de la probabilidad de todos los conjuntos mnimos). En esta medida influye tanto la indisponibilidad del componente como su posicin estructural en el rbol de fallos.

En el caso prctico del apartado anterior, los resultados obtenidos para las tres medidas de importancia se muestran en las tablas 15, 16 y 17 y se representan en los grficos 3, 4 y 5, respectivamente. a. Medida RAW: esta medida revela la importancia de asegurar las seales elctricas SA y SC de actuacin de las vlvulas de control (VC1 y VC 2) y de las bombas (B1 y B2), as como el suministro elctrico. b. Medidas RRW y Fussell-Vesely: estas medidas proporcionan la misma ordenacin de sucesos bsicos y revelan la importancia de reducir la probabilidad de los modos de fallo de las bombas (B1 y B2) en demanda y en espera.

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Medidas de reduccin de la indisponibilidad. Intervalo ptimo entre pruebas Las medidas existentes para aumentar la fiabilidad (o disminuir la indisponibilidad) de un sistema o reducir la probabilidad de fallo, pueden ser bsicamente de dos tipos. En primer lugar, modificar la estructura del rbol de fallos: a travs de cambios en la instalacin, que fundamentalmente pueden consistir en la incorporacin de redundancias en aquellos elementos o funciones que se hayan identificado como crticas o imprescindibles para la seguridad del sistema, como en el caso del suministro elctrico y seales de actuacin del ejemplo anterior, que proporcionan los valores superiores en la medida de importancia RAW. En segundo lugar, disminuir la indisponibilidad de los sucesos bsicos: tal y como se ha visto en el punto "Modos de fallo y modelos de indisponibilidad", la indisponibilidad de cada suceso bsico se ha calculado mediante unas expresiones matemticas para cada modo de fallo, que tienen como variables las tasas de fallos intrnsecas de los componentes (??????s, ??????o) y las condiciones de operacin y mantenimiento del sistema (Tep, Tp, TO, TTR). Por ello, la reduccin de las indisponibilidades de los sucesos bsicos puede ser lograda mediante la eleccin de componentes con tasas de fallos bajas y adoptando adecuadas estrategias de mantenimiento preventivo. En el caso prctico analizado, las medidas de importancia RRW y FussellVesely han revelado la importancia de reducir la indisponibilidad de las bombas instaladas, a las cuales se les realiza pruebas peridicas.

Intervalo ptimo entre pruebas La indisponibilidad de la bomba est determinada por:

?????? = ?????????????????????????????????????????? + ???????????????????????????????????????????????? + ???????????????????????????????????????????????? + ??????????????????????????????????????????????????????

?????? = 1 +

???????????? 1 ???????????? ?????? ?????????????????? 1 + + ???????????? + 1 ?????? ?????? ?????? ???????????? ???????????? ?????????????????? ??????????????????

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El intervalo ptimo entre pruebas se puede obtener derivando la funcin anterior respecto al tiempo entre pruebas e igualando la derivada a cero:

????????????????????????????????????

2???????????? ????????????

Que en el caso prctico realizado anteriormente proporciona un valor de 1.036 horas. Para verificar este resultado se ha calculado la indisponibilidad total del suceso no deseado para distintos tiempos entre pruebas de las bombas; los resultados se presentan en la tabla 18 y se representan en el grfico 6, de donde se desprende que el mnimo valor de la indisponibilidad total se obtiene para un tiempo entre pruebas prximo a 1.000 horas, corroborndose el clculo matemtico del tiempo ptimo realizado anteriormente.

4.1.8. Mantenibilidad. DisponibilidadSe trata de conceptos paralelos a la fiabilidad en tanto en cuanto son funciones de distribucin de probabilidad, de acuerdo con las definiciones dadas antes. -La mantenibilidad, probabilidad de ser reparado en un tiempo predeterminado, se refiere a la variabilidad de los tiempos de reparacin, que es muy grande por los numerosos factores que pueden intervenir.

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La funcin de distribucin de estos tiempos puede ser: -Distribucin Normal: Tareas relativamente sencillas. -Distribucin mantenimiento. Logartmico-Normal: La mayora de los casos en

Funcin de distribucin de probabilidad m (t), indica la distribucin de los tiempos de mantenimiento.

- Mantenibilidad: ??????(??????) =

?????? 0

?????? ?????? ?????????????????? ?????? 1?????? ??????

- Tasa de reparacin: ?????? ?????? =

Si = cte. entonces ?????? =

1 ????????????????????????

- Tiempo medio de reparacin: MTTR

-La disponibilidad, probabilidad de desarrollar la funcin requerida, se refiere a la probabilidad de que no haya tenido fallos en el tiempo t, y que caso que los tenga, que sea reparada en un tiempo menor al mximo permitido. Es funcin por tanto, de la fiabilidad y de la mantenibilidad. En el caso de que la tasa de fallos (t) y la tasa de reparacin (t) sean constantes, es:

?????? =

???????????????????????? ???????????????????????? + ????????????????????????

La disponibilidad aumenta al aumentar la fiabilidad (disminuir la tasa de fallos ) al disminuir el tiempo medio de reparacin (aumentar la tasa de reparacin ).

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4.2. Alineacin de Ejes 4.2.1. Importancia de la alineacinPara conseguir un funcionamiento suave en dos mquinas acopladas es imprescindible que los ejes de las mismas estn dentro de unos lmites admisibles en su alineacin. Los lmites son ms estrechos cuanto mayor velocidad y/o potencia tengan las mquinas acopladas. Las consecuencias de un acoplamiento de ejes con desalineacin superior a la admisible por el tipo de acoplamiento es un nivel anormalmente alto en las vibraciones, tanto radiales como axiales y un deterioro prematuro de los rganos de las mquinas, pudiendo incluso presentarse un fallo catastrfico si se arranca una mquina con un grado alto de desalineacin. La figura resume los principales problemas causados por una alineacin inadecuada:

El propsito de alineacin de los ejes es impedir vibraciones excesivas y el fallo prematuro de piezas de la mquina. La desalineacin es sin duda una de las causas principales de problemas en maquinaria. Estudios han demostrado que un 50 % de problemas en maquinaria son causa de desalineacin y que un 90 % de las mquinas corren fuera de las tolerancias de alineacin permitidos.

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Una mquina desalineada puede costar desde un 20 % a un 30 % de tiempo de paro no programado, partes de repuesto, inventarios y consumo de energa.

4.2.2. Concepto de alineacin y tipos de desalineamientoLa alineacin de ejes es el proceso de ajuste de la posicin relativa de dos mquinas acopladas (por ejemplo, un motor y una bomba) de manera que las lneas centrales de sus ejes formen una lnea recta cuando la mquina est en marcha a temperatura de funcionamiento normal (Fig. 29)

Figura 29

El alineamiento es una tcnica que busca la calidad en el montaje de las mquinas rotativas. Sus fines son: Lograr un buen posicionamiento entre ejes. La eliminacin de esfuerzos no deseados. La descarga de los rganos de apoyo de los equipos. La duracin del servicio. Ahorro econmico por disminucin de roturas, deterioros y stocks de almacenamiento. Mayor disponibilidad de servicio.

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La falta de alineamiento ocasiona excesivas fuerzas axial y radial en los cojinetes, lo cual conlleva: Recalentamiento y desgaste prematuro de los cojinetes. Sobrecargas en el motor. Desgaste prematuro en las empaquetaduras o sellos mecnicos del eje. Posibilidad de rotura del eje debido a fatiga. Chirridos y ruidos extraos. Vibraciones, las cuales son a su vez causa del desalineamiento, creando un crculo vicioso que termina por arruinar el equipo.

Deber realizarse una verificacin de la alineacin si se notan uno o ms de estos sntomas: Vibracin radial y axial excesiva. Temperatura alta del aceite, cojinetes calientes. Fuga de aceite excesiva en las juntas de los cojinetes. Pernos de anclaje flojos. Pernos de acoplamiento flojo o roto. Acoplamiento caliente inmediatamente despus de la parada.

Con acoplamientos elsticos, polvo de goma o de plstico en el interior de la defensa del acoplamiento. Fallos frecuentes de cojinetes y/o acoplamientos.

Los posibles desalineamientos (desviaciones de la condicin de alineamiento ideal) que se pueden presentar se representan en la figura 30 y son: Radial o Paralelo (ejes desplazados paralelamente - Offset). Angular (ejes angulados entre s). Combinacin de los anteriores (Offset + Angular).50


Figura 30.- Tipos de desalineamiento

- La desalineacin paralela ocurre cuando los ejes estn desplazados (Offset) entre s, siendo paralelos uno respecto del otro. - La desalineacin angular se presenta si ambos ejes forman un cierto ngulo. - La desalineacin combinada, suma de las dos anteriores, supone que los ejes se cruzan en el espacio, sin interseccin. Es lo ms habitual

Toda operacin de alineamiento que se efecte de forma racional debe seguir, al menos, los 4 pasos siguientes: Medicin de las magnitudes y direccin de las desviaciones (debidas a los desplazamientos paralelos y angulares de los ejes en los planos vertical y horizontal). Clculo de los desplazamientos de correccin. Efectuar dicho desplazamiento. Comprobar la alineacin.

Para corregir los diferentes tipos de desalineacin existen diferentes mtodos entre los que se pueden destacar, de menor a mayor precisin, los siguientes: Regla y nivel. Reloj comparador. Sistema de rayo lser.51


4.2.3. Regla y nivelEs un sistema de alineamiento rpido, utilizado en los casos en los que los requisitos de montaje no son exigentes, dado que es poco preciso. El proceso de alineamiento es como sigue: Los ejes, con los platos calados, se aproximan hasta la medida que se especifique. Con una regla de acero y un nivel, se sitan en las generatrices laterales que podemos denominar Este y Oeste (o 3 y 9) y se ir corrigiendo hasta que los consideremos alineados. Se comprueba el paralelismo de los platos midiendo en cuatro puntos a 90. Si en el plano Norte-Sur no tenemos el nivel a cero, quiere decir que el mecanismo est CADO o LEVANTADO, por lo que habr que colocar forros donde se necesite para que los dos platos queden paralelos.

4.2.4. Reloj comparadorAntes de describir los mtodos de alineacin dedicaremos una pequea atencin al reloj comparador, instrumento con el que se realizan las medidas de desalineacin. Se trata de un instrumento medidor que transmite el desplazamiento lineal del palpador a una aguja indicadora, a travs de un sistema pin-corredera. El reloj comparador consiste en una caja metlica atravesada por una varilla o palpador desplazable axialmente en algunos milmetros (10 mm. para comparadores centesimales y 1 mm. para comparadores milesimales). En su desplazamiento la varilla hace girar, por medio de varios engranajes, una aguja que sealar sobre una esfera dividida en 100 partes el espacio recorrido por el palpador, de tal forma que una vuelta completa de la aguja representa 1 mm. de desplazamiento del palpador y, por consiguiente, una divisin de la esfera corresponde a 0.01 mm. de desplazamiento del mismo. Una segunda aguja ms pequea indica milmetros enteros. Movimientos del palpador hacia el comparador sern positivos, girando la aguja en el sentido del reloj. Movimientos hacia el exterior sern negativos, desplazndose la aguja en sentido antihorario.

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El modo de usarlo para medir la desalineacin radial (paralela) es hacindolo solidario a uno de los ejes (Eje A) mediante un adaptador (base magntica), descansando el palpador en el dimetro exterior del otro eje (Eje B). Montado de esta forma se gira 360 el eje A, tomando lecturas cada 90. Dichas lecturas nos darn la posicin relativa del eje B respecto de la proyeccin del eje A en la seccin de lectura. Para medir la desalineacin axial (angular) se procede de igual manera pero descansando el palpador en la cara frontal del plato.

Figura 32

Las lecturas radiales del comparador, A (arriba) y B (abajo), marcan el doble de la distancia real entre ejes:

?????? = ?????? + ?????? ?????? = ?????? = ?????? ?????? ?????? ?????? 2

e igual en sentido horizontal, donde se harn las lecturas D(derecha) e I(izquierda). Para comprobar la exactitud de las medidas efectuadas se tiene que verificar que

?????? + ?????? = ?????? + ??????

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En efecto:

Figura 33

?????? = ?????? + ?????? ?????? = ?????? ??????

D=R+H?????? = ?????? ??????

?????? + ?????? = ?????? + ??????

y como normalmente es A = o, ser B = D + I Para evitar errores se identifican los puntos de lecturas como A, B, I, D situado el observador siempre en la mquina fija y mirando hacia la mvil. Efectuadas las lecturas y comprobada su exactitud, se procede a hacer la correccin de la desalineacin. Para ello se intercalan lminas metlicas de diferentes espesores entre las bases de asiento (patas) y la bancada para la correccin vertical de la mquina mvil. Asimismo se efectan los desplazamientos horizontales que sean necesarios en la mquina mvil para hacer la correccin horizontal. Las lecturas se apuntan en un formato apropiado antes y despus de hacer la correccin. Esta informacin se utilizar, no solo para verificar la calidad de la operacin y su ajuste a las tolerancias admisibles, sino como referencia para futuras intervenciones.

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Comprobaciones preliminares Antes de proceder a realizar una alineacin se deben hacer las comprobaciones siguientes y corregir lo que sea preciso, dado la influencia que tienen en los resultados de la alineacin: 1. Comprobar que las bancadas estn en buen estado. No hay patas rotas o fisuradas.55


2. Comprobar que los asientos de las mquinas en las bancadas estn limpios y libres de xido. 3. Asegurar que los suplementos utilizados son de material inoxidable y se usa un paquete poco numeroso, pues puede ser fuente de vibraciones (elemento elstico). 4. Verificar que no existen patas "cojas". En ese caso someteramos al equipo a tensiones y, finalmente, sera una fuente de vibraciones. La comprobacin de "patas cojas" se realiza fijando un comparador a la bancada y el palpador en la pata a comprobar. Se afloja y la deflexin debe ser inferior a 0,05 m/m. 5. Comprobar que las tuberas que conectan con las mquinas no inducen tensiones a los equipos. Para ello se colocan dos comparadores en el acople, uno vertical y otro horizontal. Se aflojan las bridas y las indicaciones en uno u otro sentido deben ser inferiores a 0,075 m/m. 6. Comprobar la flecha del soporte del comparador utilizado. Para ello se coloca sobre un tubo suficientemente rgido para despreciar su flecha. Situar el palpador en parte superior a cero. Girar el tubo 180 y volver a leer. La lectura dividida por 2 es la flecha del soporte.

Figura 34

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Corregir las lecturas con la flecha del soporte: .- Lectura inferior: +2 veces la flecha .- Lectura derecha: + 1 vez la flecha .- Lectura izquierda: +1 vez la flecha

Correccin de la desalineacin Siempre se empieza identificando una mquina como fija y otra como mvil, que es a la que se aplican los movimientos correctores. Se elige como mquina fija la ms pesada, la de soportacin ms delicada o ms compleja de mover. As, en el caso de un grupo motor elctrico- bomba, la bomba es la fija. En el caso de una turbina-bomba, la turbina es la fija. Cuando tenemos varias mquinas para acoplar entre s, se decide en funcin de las lecturas iniciales efectuadas. En todos los casos se trata de determinar la magnitud y el sentido de los movimientos a efectuar y llevarlos a cabo sobre la mquina que se ha seleccionado como mvil. El clculo tanto de la magnitud como del sentido de los movimientos correctores se hace por alguno de los mtodos que veremos posteriormente. Una vez determinados, la correccin se efecta moviendo la mquina mvil tanto en sentido horizontal como en vertical. Para el movimiento en sentido horizontal se dispone de unos tornillos de alineacin a ambos lados de los apoyos de la mquina.

Figura 35

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Apretando los de un lado y aflojando los del opuesto, se desplaza la mquina, controlando su magnitud con un reloj comparador que previamente se habr ajustado a cero. Para el movimiento en sentido vertical se eliminan o aaden las lminas calibradas a modo de suplementos; al montar la mquina en su bancada interesa que siempre se haga sobre algn suplemento, pues al alinear podremos eliminarlos si fuera preciso bajar. En caso contrario habra que subir la mquina fija o mecanizar la bancada de la mvil, siendo ambas operaciones indeseables.

1.- Alineacin mediante reloj radial y galgas (mtodo Brown-Boveri).En primer lugar se busca corregir la desalineacin angular con la ayuda de las galgas. El objetivo es que los dos platos del acoplamiento estn en el mismo plano. Tambin se pretende, con las diecisis medidas, compensar los errores de medida debidos a huelgo axial; sino con cuatro medidas bastara. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Se mide con las galgas la distancia entre los platos del acoplamiento en las posiciones que hemos denominado izquierda, derecha, arriba y abajo. 2. Se mueven conjuntamente los dos rboles 90, repitiendo las 4 medidas del paso anterior. Se opera igual para 180 y 270. 3. Los valores as obtenidos se colocan en una tabla como la siguiente y se calculan los promedios.

Figura 36

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4. Se conseguir el alineamiento si: Izquierda = Derecha = Arriba = Abajo.

Puede suceder que el plano del plato no sea perpendicular al eje, lo que puede generar otro tipo de error llamado error de plano. Este error se detecta una vez hecha la correccin al tomar de nuevo la serie de medidas indicadas en el punto 3. Si la media de las cuatro columnas coincide (confirmando que el desalineamiento angular se ha corregido), pero no coinciden los valores de las columnas para cada medida, hay error de plano.

En la prctica se corrigen primero los errores angulares en el plano vertical y luego en el horizontal. Es decir, primero corregimos verticalmente un ngulo para que arriba = abajo, y despus corregimos horizontalmente un ngulo para que derecha = izquierda. (Figura 37).

Una vez corregida la desalineacin angular se busca corregir la desalineacin radial utilizando un reloj comparador. Primeramente se instala un montaje como el de la figura 38 que permita medir la posicin relativa del eje B respecto al A:

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1. Los platos se giran conjuntamente y se lee el marcador en las posiciones izquierda, derecha, arriba y abajo. Las medidas indicarn una posicin correcta de B respecto de A si se cumple: izquierda = derecha = arriba = abajo

2. Es conveniente repetir para medir la posicin relativa del eje A respecto a B. En la figura 39 se indica lo que se mide cuando se utiliza un reloj comprador. Se tiene un rbol B desalineado hacia abajo una distancia H respecto del rbol A. La base del reloj est sobre el eje B; por tanto ste es el referente que se toma para la medida. La diferencia entre las medidas en ambas posiciones, es la diferencia de lectura del reloj. As: (R-H) (R+H) = -2H

Es decir, si en la posicin 1 el reloj se pone a cero, en la posicin 2 el reloj marcar 2H, lo que significa que se lee el doble de la desalineacin existente entre ambos rboles.

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2-. Alineacin mediante relojes radiales alternados (Mtodo Indicador Inverso).Es el mtodo ms preciso y, por tanto, el que se debe aplicar cuando la distancia entre platos (Lo) es mayor que su dimetro (D). Asimismo es el indicado cuando algunas de las mquinas posee cojinetes antifriccin, pues no se ve afectado por el posible desplazamiento axial de algn rotor.

Figura 40

- Se supone fija la mquina A y la que vamos a mover la B. - Se toman dos lecturas radiales, una desde A en B (RAB) y otra desde B en A (RBA). - Con ello se conoce la desviacin del eje B respecto al A:

?????? =

?????????????????? + ?????????????????? ????????????

- Correcciones en las patas de B (Plano Vertical):

??????1 = ?????????????????? +

?????????????????? + ?????????????????? ??????1 ????????????61


??????2 = ?????????????????? +

?????????????????? + ?????????????????? (??????1 + ??????2) ????????????

Figura 41

De la misma forma se corrige en el Plano Horizontal. Una vez realizadas las correcciones, se repiten las lecturas para comprobar que estn dentro de tolerancias ( 0,05). - El error que se comete ser inferior a 0,05, si las lecturas de los comparadores, en valor absoluto, son inferiores a:

0,08

????????????(??????/??????) 100

Si no se hubiese conseguido, se repite la operacin de correccin tomando como datos los obtenidos en la ltima lectura.

62


La desalineacin en este mtodo se determina tambin grficamente definiendo las posiciones relativas de las lneas de ejes. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Marcar sobre la superficie de uno de los semiacoplamientos un punto de referencia y otros 3 ms a 90, 180 y 270, respectivamente. 2. Montar dos relojes comparadores, uno con su palpador apoyado en el exterior de un plato y su soporte asegurado en el eje de la otra mquina, ocupando la posicin de 0, y el otro colocado en la direccin contraria y en la posicin de 180 (ver figura 42).

Figura 42.- Montaje para el alineamiento con dos relojes comparadores

3. Anotar las lecturas que se obtienen en ambos relojes comparadores en las posiciones de 0, 90, 180 y 270 en el lugar correspondiente de la ficha de trabajo. 4. Se procede a la determinacin de la desalineacin en el plano vertical (figura 43). Sobre el papel milimetrado, se traza el rbol EI de la mquina estacionaria en una posicin arbitraria, situando respecto a l la posicin de los platos PI y PII y de sus apoyos.

Figura 43.- Alineamiento en el plano vertical con relojes alternados63


5. Con las lecturas en las posiciones 0 y 180 del reloj RII conocemos la distancia dII (posicin relativa del eje EII respecto del eje EI en el plano de medida PI), de forma que podemos situar el punto II. 6. Con las lecturas en las posiciones 0 y 180 del reloj RI conocemos la distancia dI, (posicin relativa del eje EI respecto del eje EII en el plano de medida PII), de forma que podemos situar el punto I. Uniendo los puntos I y II definimos la proyeccin sobre el plano vertical del eje EII. De esta forma obtenemos la posicin relativa del eje EII respecto al EI. Si situamos ahora sobre EII sus apoyos podremos ver grficamente las distancias CI y CII, que representan las correcciones en los apoyos de EII necesarias para un correcto alineamiento. 7. De forma anloga, pero considerando las lecturas de las posiciones 90 y 270, se procede al alineado en el plano horizontal.

2-. Alineacin mediante cara y borde (Mtodo Radial-Axial).Es el mtodo ms preciso y, por tanto el que se debe emplear cuando la distancia entre platos (Lo) es menor que el dimetro del plato (D). Presenta caractersticas similares al caso de la alineacin mediante reloj radial y galgas. - Se supone fija la mquina A y la que vamos a mover la B. - Se toman dos lecturas, una radial (R) y otra axial (Z), ambas desde A en B.

Figura 44

64


- La lectura radial nos marca altura del eje B respecto al A. La lectura axial nos da el ngulo del eje B respecto del A. - Correcciones en las patas de B: - Plano Vertical

??????1 = ?????????????????? +

?????????????????? ??????1 ??????

??????2 = ?????????????????? +

?????????????????? (??????1 + ??????2) ??????

- De la misma forma se corrige en el plano horizontal. Se completa la correccin haciendo una nueva lectura de comprobacin. - La desalineacin ser inferior a 0,05, si las lecturas efectuadas cumplen:

?????? < 0,08

????????????(??????/??????) 100

?????? < 0,08

??????(??????/??????) 100

LO: Distancia entre platos D: Dimetro del plato donde realizamos la lectura axial.

Figura 45

65


- Las lecturas se facilitan indicando R(A,B,D,I) y Z(A,B,D,I). Interesa, para facilitar la aplicacin, poner a cero la lectura que identificamos como "Arriba" (A). Aunque ste sea el mtodo ms preciso cuando la distancia entre platos (LO) es menor que el dimetro del plato (D) , sin embargo si las mquinas tienen cojinetes de friccin es preferible usar el mtodo inverso ya que no se ve afectado por los movimientos axiales de los rotores. La desalineacin en este mtodo tambin se puede determinar grficamente, definiendo las posiciones relativas de las lneas de ejes.

4.2.5. Sistema de rayo lserLos mtodos de alineacin con el uso de lser suponen una mejora destacable de los mtodos tradicionales. Un alineador de ejes lser realiza una alineacin ms rpida y precisa que los mtodos tradicionales. Los alineadores de contacto utilizan transductores comunicadores electrnicos de posicin, semejantes al reloj comparador. Estos elementos se utilizan cada da ms y cada casa comercial tiene su modelo con sus debidas instrucciones de utilizacin.

Figura 46

66


El equipo a utilizar, por ejemplo, puede ser el OPTALIGN, de Prftechnik AG. Consta de una unidad Lser/Detector, que montada en el eje de la mquina estacionaria, emite un rayo lser, que es dirigido al prisma montado en el eje de la mquina que debe ser movida; donde es reflejado hacia el detector. Un computador recibe la informacin del detector y suministra todos los datos necesarios para un alineado preciso. El lser es de semiconductores Ga-Al-As, y emite luz en la zona del rojo visible (longitud de onda 670 nm). Su potencia es del orden de pocos mW. Ventajas: Rapidez de montaje. Elimina voladizos de los tiles (inducen errores). Realiza todos los clculos automticamente hasta dar los valores de correccin. Elimina errores de excentricidad. Elimina errores de huelgo axial. Elimina errores de lectura. Valora directamente posiciones de eje.

Como inconvenientes cabe destacar: No se puede medir cuando uno de los ejes no puede girar. El lser puede ser desviado por corrientes trmicas o de vapor. Sus componentes son sensibles a los ambientes con suciedad. Requiere revisiones de la casa para garantizar los resultados. Requiere una formacin y una adaptacin del operario.

El procedimiento para alinear con este equipo se sigue fcilmente a travs de las Hojas de Protocolo como las que se adjuntan en la Ficha de Trabajo, y es el siguiente: 1. En primer lugar se procede al ajuste del emisor/detector y del prisma. Tanto el sistema transductor, que contiene al lser y al detector de posiciones, como el prisma, se deslizan y posicionan sobre las columnas de las fijaciones. El rayo lser visible facilita67


el ajuste inicial del prisma, incluso a grandes distancias, buscando su reflexin en el detector de posiciones. El detector emite las coordenadas de recepcin del rayo lser al computador (tecla M de medida pulsada), solamente cuando el rayo reflejado por el prisma cae dentro de su campo interior linealizado (figura 47). Su resolucin es de 1 m.

2. Pulsando la tecla DIM, se introducen las medidas de la mquina. El equipo va pidiendo las medidas necesarias. 3. Medicin. Se mide pulsando la tecla M en por lo menos tres posiciones a 90 de giro conjunto de los rboles. El inclinmetro indica la posicin exacta. En caso de obstrucciones visuales existe una funcin especial de lectura con una rotacin de slo 90. Cualquier desalineado de los ejes es causa de que el rayo reflejado se separe de su posicin original en el centro del detector. Las lecturas efectuadas por el detector de estos movimientos del rayo lser entran en la computadora, que los emplea junto con las dimensiones de la mquina para calcular el desalineado de los ejes. 4. Resultados en el acoplamiento. Pulsar la tecla acoplamiento para que aparezca en pantalla el desalineado en el acoplamiento, con una precisin de 0,01 mm. Se indican en vistas horizontales y verticales el desplazamiento paralelo y la angularidad en el acoplamiento. Adems sirve para comprobar si la alineacin est dentro de las tolerancias. 5. Correccin de los apoyos. Si la alineacin est fuera de las especificaciones, pulsar la tecla de pie de mquina para obtener los valores de correccin, que incluyen la compensacin de las dilataciones trmicas si hay valores de desalineado intencional.68


4.2.6. Correccin por condiciones de servicioEl objetivo de la alineacin es que los ejes se encuentren dentro de las tolerancias de alineacin, en condiciones de operacin. Si se trata de un equipo cuyas condiciones en operacin (sobre todo temperatura) varan poco respecto de las de paro no hay gran inconveniente en hacer una alineacin "a cero" en fro. Sin embargo cuando se trata de equipos que experimentan dilataciones importantes en condiciones de operacin por efecto de la temperatura (turbinas de vapor, compresores) es preciso dejar una desalineacin previa en sentido contrario para compensar el efecto debido a las dilataciones. Las medidas de compensacin se establecen por: Recomendaciones del fabricante. Por aproximaciones sucesivas mediante pruebas. Por clculo de dilataciones de equipos en funcin de las temperaturas. Tomando medidas de dilatacin mediante comparadores fijados a la bancada y los palpadores apoyados en las carcasas de cojinetes, si es posible. Efectuada la compensacin, se deben corroborar los resultados obtenidos mediante medidas de vibraciones que es el mejor indicador de una buena alineacin.

4.2.7. Tolerancias de alineacinEl objetivo de la alineacin es que, en condiciones de operacin, los ejes se encuentren dentro de los lmites de tolerancia admisibles. Estos lmites dependen fundamentalmente del tipo de acoplamiento y de la velocidad de rotacin. El acoplamiento est diseado para transmitir un par, absorbiendo las pequeas desalineaciones sin que los esfuerzos generados por la misma puedan afectar a cierres y cojinetes. Cada fabricante define las tolerancias admisibles por sus acoplamientos concretos. Sin embargo es la experiencia quien dicta los verdaderos lmites admisibles para una duracin de vida adecuada de todos los rganos involucrados, sobre todo los ms delicados como cierres y cojinetes. En cualquier caso, el criterio correcto es la vibracin producida en operacin, que debe estar dentro de los lmites marcados.

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Los lmites ms generalmente aceptados son: - Acoplamiento de lminas: Lmite prctico 0,05 Desalineacin mxima 0,12 - Acoplamiento de dientes abombados: Si la velocidad de rotacin es menor que 3600 r.p.m., se aplican los mismos lmites que en el caso anterior. Si la velocidad es mayor que 3600 r.p.m., la velocidad de deslizamiento debe ser menor que 50 mm/s, siendo la velocidad de deslizamiento entre dientes:

???????????? ???????????? ?????? =

2?????? ?????????????????? . ?????? ???????????? ?????????????????? ?????? 60

N velocidad rotacin (r.p.m.) D dimetro engranaje (mm) Angulo de desalineacin.

Como conclusin general se puede decir que la desalineacin residual debe ser inferior a 0,05, lo que equivale a 0,08 m/m por cada 100 m/m de separacin entre extremos de ejes. De una forma prctica se suele admitir una alineacin como satisfactoria si en la lectura final, no se superan los siguientes lmites:

lectura radial 0,03 mm. lectura axial 0,015 mm.

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4.2.8. Desalineacin de correasLa desalineacin de las poleas es una de las razones ms comunes de las paradas inesperadas de la maquinaria de transmisin por correas. La desalineacin de poleas puede incrementar el desgaste de stas y de las correas, as como incrementar el ruido y la vibracin, lo que puede provocar la parada inesperada de la mquina. Otro efecto secundario de una mayor vibracin es el fallo prematuro de los rodamientos. Esto tambin puede causar la parada inesperada de la mquina.

Figura 48.- La medicin de desalineaciones paralelas y angulares con una regla/viga o un trozo de cuerda

Mtodos tradiciones para alinear las correas Estos mtodos, los ms utilizados, incluyen nicamente el uso de criterios visuales, o de criterios visuales en combinacin con una regla/viga y/o un trozo de cuerda. La ventaja ofrecida por estos mtodos tradicionales es el aparentemente poco tiempo requerido para el ajuste, aunque el uso de una regla/viga consume ms tiempo que el uso de criterios visuales por s solos. La principal desventaja es la falta de precisin. Algunos fabricantes de poleas recomiendan una desalineacin angular horizontal mxima de 0,5 o incluso 0,25, y eso es imposible de lograr utilizando solamente la vista humana.

Mtodos de alineacin de correas por lser Un alineador de poleas lser facilita la alineacin de forma ms rpida y precisa que los mtodos tradicionales. Las herramientas de alineacin de poleas disponibles en el mercado se pueden categorizar segn su sistema de fijacin a la polea y su sistema de alineacin. En general existen dos grupos; uno alinea la cara lateral de la polea y el otro alinea las ranuras de la polea.71


La principal desventaja de las herramientas que slo utilizan la cara lateral de la polea como referencia para alinear las poleas y las correas, es que slo quedan alineadas entre s las caras laterales de las poleas y no necesariamente las ranuras por las cuales pasan las correas. Con ste mtodo varan los grados de precisin cuando las poleas son de distintos grosores, marcas o tipos. Las herramientas que alinean las ranuras de las poleas permiten la alineacin donde ms se necesita - en las ranuras de las poleas, incrementando la precisin considerablemente, independientemente del grosor, marca o tipo de polea. Una alineacin de poleas y correas precisa le ayudar a: Incrementar la vida de los rodamientos. Incrementar el tiempo operativo, la eficiencia y la productividad de la maquinaria. Reducir el desgaste de las poleas y las correas. Reducir la friccin y por tanto, el consumo energtico. Reducir el ruido y la vibracin Reducir los costes derivados de la sustitucin de componentes y las paradas de la mquina

Figura 4972


4.3. Equilibrado de Rotores 4.3.1. Importancia del equilibradoSi la masa de un elemento rotativo est regularmente distribuida alrededor del eje de rotacin, el elemento est equilibrado y gira sin vibracin. Si existe un exceso de masa a un lado del rotor, la fuerza centrfuga que genera no se ve compensada por la del lado opuesto ms ligero, creando un desequilibrio que empuja al rotor en la direccin ms pesada. Se dice entonces que el rotor est desequilibrado.

Figura 50

El desequilibrio de piezas rotativas genera unas fuerzas centrfugas que aumentan con el cuadrado de la velocidad de rotacin y se manifiesta por una vibracin y tensiones en el rotor y la estructura soporte. Las consecuencias pueden ser muy severas: - Desgaste excesivo en cojinetes, casquillos, ejes y engranajes. - Fatiga en soportes y estructura.

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- Disminucin de eficiencia. - Transmisin de vibraciones al operador y otras mquinas.

Para minimizar el efecto de las fuerzas de excitacin es necesario aadir masas puntuales de equilibrado que compensen el efecto de las fuerzas de inercia de desequilibrio, de manera que los ejes y apoyos no reciban fuerzas de excitacin o, al menos, stas sean mnimas. Por tanto el equilibrado tiene por objeto: - Incrementar la vida de cojinetes. - Minimizar las vibraciones y ruidos. - Minimizar las tensiones mecnicas. - Minimizar las prdidas de energa. - Minimizar la fatiga del operador.

4.3.2. Causas de desequilibrioEl exceso de masa en un lado del rotor (desequilibrio) puede ser por: - Tolerancias de fabricacin en piezas fundidas, forjadas e incluso mecanizadas. - Heterogeneidades en materiales como poros, inclusiones, diferencias de densidad. - Falta de simetra en diseo, tales como chaveteros, etc. - Falta de simetra en uso tales como deformaciones, distorsiones y otros cambios dimensionales debido a tensiones, fuerzas aerodinmicas o temperatura.

Las piezas rotativas se deben disear para un equilibrado inherente. No obstante la comprobacin del equilibrado es una operacin complementaria en su fabricacin ya que se pueden generar heterogeneidades, deformaciones en marcha, etc., que deben ser equilibradas.

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En cualquier caso siempre quedar un desequilibrio residual que ser o no admisible en funcin del tipo de mquina y su velocidad de rotacin. Ese desequilibrio admisible ser funcin, por tanto, de la velocidad de rotacin. El desequilibrio se mide en gramos x milmetros, aunque tambin es muy usada la unidad gramos x pulgada (ginch). Ejemplo de desequilibrio de 100 g.inch:

Figura 51

4.3.3. Tipos de desequilibrio y efectosLa norma ISO 1925 describe cuatro tipos de desequilibrio, mutuamente exclusivos. Se describen a continuacin con ejemplos colocando masas desequilibradoras sobre un rotor perfectamente equilibrado:

a) Desequilibrio Esttico La condicin de desequilibrio esttico se da cuando el eje principal de inercia del rotor se encuentra desplazado paralelamente al eje del rbol. Tambin llamado desequilibrio de fuerza. Se corrige colocando una masa correctora en lugar opuesto al desplazamiento del C.G., en un plano perpendicular al eje de giro y que corte al C.G.

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Figura 52.- Desequilibrio Esttico

b) Desequilibrio de Par Un par desbalanceado se presenta cuando el eje principal de inercia del rotor y el eje del rbol interceptan en el centro de gravedad del rotor pero no son paralelos. Tambin llamado desequilibrio de momento.

Figura 53.- Desequilibrio de Par

Dos masas de desequilibrio en distintos planos y a 180 una de otra. Para su correccin se precisa un equilibrado dinmico. No se pueden equilibrar con una sola76


masa en un solo plano. Se precisan al menos dos masas, cada una en un plano distinto y giradas 180 entre s. En otras palabras, el par de desequilibrio necesita otro par para equilibrarlo. Los planos de equilibrado pueden ser cualesquiera, con tal que el valor del par equilibrador sea de la misma magnitud que el desequilibrio existente.

c) Desequilibrio Cuasi-Esttico Existe cuando el eje principal de inercia intercepta el eje de giro pero en un punto distinto al centro de gravedad. Representa una combinacin de desequilibrio esttico y desequilibrio de par. Es un caso especial de desequilibrio dinmico.

Figura 54.- Desequilibrio Cuasi-Esttico

d) Desequilibrio Dinmico Existe cuando el eje principal de inercia no es ni paralelo al eje de giro ni lo corta en ningn punto: dos masas en distintos planos y no diametralmente opuestas. Es el ms comn de los desequilibrios y necesita equilibrarse necesariamente en, al menos, dos planos perpendiculares al eje de giro.

Figura 55.- Desequilibrio Dinmico

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Un rotor desequilibrado, cuando gira en sus cojinetes, causar una vibracin peridica y ejercer una fuerza peridica sobre cojinetes y estructura soporte. La figura siguiente representa el movimiento de un rotor con desequilibrio esttico y el mismo con un desequilibrio de par. En caso de desequilibrio dinmico el rotor se mover de forma ms compleja, resultado de la combinacin de los movimientos ilustrados.

Figura 56

Los rotores se dividen en dos grupos. Un grupo est formado por rotores rgidos que no se desvan hasta que alcanzan la velocidad operativa. El otro grupo est formado por rotores flexibles que se inclinan cuando alcanzan la velocidad operativa. La primera desviacin es un efecto de comba, lo que significa que el centro del rotor a una velocidad determinada se sale de su eje rotacional, provocando un gran desequilibrio esttico. Si la estructura es rgida la fuerza ejercida es mayor que si la estructura es flexible (excepto en resonancia). En la prctica las estructuras no son ni puramente rgidas ni flexibles. El sistema formado por cojinetes y sus soportes constituyen un sistema elstico con amortiguamiento (resorte + amortiguacin), que tiene su frecuencia propia

Mantenimiento Industrial (Recopilación - II Técnicas)

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