Monitoreo de Vibraciones

5/12/2018 Monitoreo de Vibraciones - slidepdf.com

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MONITOREO DE VIBRACIONES

INTRODUCCIÓNEl mantenimiento según condición presenta las siguientes ventajas:• Evita fallas catastróficas y sus consiguientes consecuencias de alto costo o alto riesgo.• Reduce a un mínimo la cantidad de “overhauls” de las máquinas, reduciendo los costos de

mantenimiento.• Elimina intervenciones innecesarias y el riesgo de introducir fallas en máquinas que están

en perfectas condiciones de funcionamiento.• Permite que la adquisición de los repuestos sea en el momento que efectivamente se

requieren, con lo que se elimina altos y costosos stocks.• Reduce a un mínimo el tiempo de intervención y, en consecuencia, minimiza las pérdidas de

producción, debido a que la falla a reparar es conocida con anticipación y la mantenciónpuede ser programada para el momento que resulte más conveniente.

Al decidir la implantación de un programa de mantenimiento sintomático mediante el monitoreode vibraciones, es necesario definir varios aspectos, tales como los que se señalan a

continuación. Selección del tipo de monitoreoExisten dos tipos de monitoreo: periódico y permanente (continuo).En el monitoreo periódico,-o intermitente- la vibración de la máquina es medida (o grabada yanalizada más tarde) a intervalos de tiempo predeterminados. En un sistema de monitoreopermanente la vibración de la máquina en los puntos seleccionados es medida continuamente, ycomparada con los niveles permitidos; en el sistema de monitoreo permanente los transductoresson montados de manera permanente en cada punto de medición seleccionado. Por esta razón,estos sistemas pueden ser muy caros, usándose sólo en casos críticos, como por ejemplo:1.donde no existe el personal disponible para realizar la medición (por ejemplo, en estaciones debombeo remotas costa afuera), 2. cuando la máquina debe ser detenida antes que una falla enella produzca una condición de alto riesgo, 3. cuando la falla puede desarrollarse muy

rápidamente y provocar la detención de la máquina, 4. medio agresivo (explosivo, tóxico o dealta temperatura), que no permite el acceso de un inspector y , en consecuencia, el monitoreoperiódico. ( Nota: antes de seleccionar un sistema de monitoreo permanente, debe hacerse

mediciones periódicas durante un periodo de tiempo tal que permita conocer las

características vibratorias de la máquina. Este procedimiento permite seleccionar los parámetros de vibración más adecuados a medir).

Selección del parámetro a medir: desplazamiento, velocidad, aceleración.El parámetro seleccionado depende del tipo de máquina y del tipo de falla que se quiereprevenir.

Selección del transductor:Transductor de desplazamiento: usados comúnmente para medir vibración del eje. Estos

transductores proveen información acerca del movimiento relativo entre el eje y el descanso.Esta información puede ser relacionada directamente con la holgura eje-descanso o espesor dela película de aceite (puede dar una indicación de rozamiento incipiente del eje, o en general, delrotor con partes fijas de la máquina). El uso de este tipo de transductores es esencial enmáquinas que tienen descansos deslizantes (de película de aceite). Sin embargo, lostransductores de desplazamiento sin contacto presentan algunos problemas: i) su calibración esdificultosa, ii) tienen un rango dinámico limitado debido a la influencia del runout eléctrico ymecánico del eje, y iii) tienen un rango de frecuencia limitado. La vibración del eje proporcionainformación acerca de la condición actual de la máquina, y es usada principalmente en sistemas



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de monitoreo permanente con sistemas de protección, que detienen automáticamente la máquinacuando se detecta una condición peligrosa.

Acelerómetros y velocímetros: son usados para medir la vibración de los descansos o carcasa dela máquina. Los acelerómetros tienen un mayor rango dinámico y de frecuencia que lostransductores de desplazamiento y velocidad, y son más livianos y resistentes que estos últimos.

Deben ser usados para detectar fallas que presentan vibraciones de alta frecuencia, tales comorodamientos y desgaste o deterioro de cajas de engranajes. La magnitud de la aceleración de lavibración del descanso puede ser relacionada directamente con las fuerzas que actúan al interiorde la máquina y que se transmiten a los descansos.

Selección del punto a medición:Una regla general para medición de vibraciones de los descansos consiste en medir la vibraciónradial en todos los descansos accesibles y la vibración axial en los descansos de empuje.Cuando se está midiendo la vibración del eje con sensores de desplazamiento sin contacto, esconveniente que se pueda reproducir la órbita del eje dentro del descanso. Debe hacerse unestudio del espectro de la vibración de cada descanso, con el fin de encontrar los puntos dondetodas las componentes significativas relacionadas con las diferentes fallas esperadas sontransmitidas a los niveles de vibración medidos.

Selección del intervalo entre mediciones:Esto requiere el conocimiento de la máquina específica. Algunas máquinas desarrollan fallasrápidamente, en tanto que otras permanecen en operación durante largo tiempo sin presentarproblemas. Debe encontrarse una solución de compromiso entre la seguridad del sistema y eltiempo empleado en la medición y análisis. A modo de referencia gruesa, se sugiere seleccionarun intervalo entre mediciones entre 1/10 a 1/6 del tiempo entre dos overhauls consecutivos. Entodo caso, al comienzo del programa de monitoreo, las mediciones deben hacerse con mayorfrecuencia, para asegurarse que los niveles de vibración medidos son estables y no se estádesarrollando una falla. Cuando un cambio significativo es detectado, el intervalo de tiempoentre mediciones debe ser reducido, para seguir más cercanamente el desarrollo de la falla, através de la tendencia de los valores medidos.

Tipos de máquinas: Para propósitos de medición y evaluación de la vibración, las máquinas pueden ser subdivididasen cuatro categorías:

• Máquinas alternativas, con componentes rotatorios y alternativos, tales como máquinasdiesel y ciertos tipos de compresores y bombas. La vibración es usualmente medida sobrela estructura principal de la máquina.

• Máquinas rotatorias con rotores rígidos, tales como ciertos tipos de motores eléctricos,bombas de una etapa y bombas de baja velocidad. La vibraciones usualmente medida sobrela estructura principal (tal como descansos o pedestales) donde los niveles de vibración sonindicativos de fuerzas generadas en el rotor por desbalanceamiento, curvado del eje debido

a efectos térmicos, rozamiento entre partes rotatorias y fijas de la máquina, y otras fuentesde excitación.

• Máquinas rotatorias con rotores flexibles, tales como turbo-generadores grandes, bombasmulti-etapas y compresores. La máquina pasa por una o más zonas de resonancia antes dealcanzar su velocidad de régimen. En estas máquinas la vibración medida sobre laestructura de ella puede no ser indicativa de la vibración del rotor. Por ejemplo, un rotorflexible puede presentar una vibración de sus descansos de baja amplitud, aunque lavibración del rotor sea de tan gran amplitud que puede llegar a producir su falla. Por lotanto, en estos casos es esencial medir la vibración directamente sobre el eje.



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• Máquinas rotatorias de rotores cuasi –rígidos, tales como turbinas a vapor de baja velocidad,compresores axiales y ventiladores. Tales máquinas son una clase especial de rotoresflexibles, donde la amplitud de la vibración medida sobre los descansos de la máquina sonindicativos de la vibración del eje.

Determinación de los valores límites:Esto depende del método de vigilancia utilizado.En esencia existen dos métodos: el método del valor global de banda ancha y el método de losvalores globales por banda de frecuencia.

Método del valor global de banda ancha:En este caso se monitorea un solo valor global para un ancho de frecuencia ancho; por ejemploel valor rms de la velocidad vibratoria medida en los descansos de una máquina con rotor rígido,o el valor peak to peak del desplazamiento relativo entre el descanso y el eje de una máquinacon rotor flexible. Para establecer los valores límites (alerta y peligro) y los valores queimplican un cambio de condición, lo ideal es establecerlos conforme al propio comportamientovibratorio de la máquina cuando ésta se encuentra en buen estado. En caso, de no contar conesta información se puede recurrir a los estándares internacionales de vibración (o cartas deseveridad vibratoria), en cuyo caso se supone que la máquina presentará un funcionamientoseguro siempre que su nivel vibratorio permanezca dentro de límites especificados por elestándar correspondiente.

Método de los valores globales de banda angosta:Cuando los problemas que se pueden presentar en una máquina son variados y tales que algunosde ellos produzcan cambios pequeños en el valor global de la vibración, puede ocurrir que sedesarrolle una condición peligrosa, sin que el sistema de vigilancia pueda detectarlo a tiempo.Con el fin de sensibilizar el sistema de vigilancia existe el método denominado de “valoresglobales de banda angosta”. En este caso, se definen varias bandas de frecuencia, cada de lascuales se asocia a un problema específico de la máquina; se monitorea el valor globalcorrespondiente a cada banda. A diferencia del método de banda ancha, donde sólo se

monitorea un único valor global, en este caso se monitorea el valor global correspondiente acada banda de frecuencia definida; por lo mismo, es necesario definir valores límites para cadabanda de frecuencia. Para definir los valores límites se toma como referencia la vibración de lamáquina cuando ella se encuentra en buen estado, y se adopta el siguiente criterio: un aumentoen un factor 2.5 implica un cambio de condición, un aumento en un factor 6 es preocupante, yun aumento en un factor 8÷10 es crítico.

MEDICIÓN DE VIBRACIONES

La medición de la vibración es un factor crítico en un programa de mantenimiento sintomáticobasado en análisis de vibraciones. Varios son los factores a considerar, como por ejemplo:

magnitud física a medir, transductor a utilizar, montaje del transductor, condicionesambientales, costo. En lo que sigue a continuación se detallan algunos de estos factores.

PARÁMETRO A MEDIR

AceleraciónVelocidad

Desplazamiento



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CARACTERÍSTICAS DEL MOVIMIENTO A MEDIR

Rango de frecuenciaRango de amplitud

Dirección del movimientoDuración

Características transientes

CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR

Características eléctricas (sensibilidad, resolución, sensibilidad transversal, rango dinámico,respuesta en frecuencia)

Características físicas (por ejemplo: tamaño y masa)Si requiere o no una fuente de poder externa

MONTAJE Y LOCALIZACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES

Efecto del montaje sobre las características de la vibración medidaNúmero de puntos a medir

Disponibilidad de espacio para la instalación de los sensores en los puntos de mediciónAccesibilidad para la instalación y mantención de los sensores

Facilidad de instalación

CARACTERÍSTICAS DE COMPONENTES DEL SISTEMA

Características eléctricas (por ejemplo,impedancias de entrada y salida)Disponibilidad de energía

Interferencia de ruidoNúmero de canales requeridos para la medición y grabación

Guía para la selección del parámetro a medirCuando se requiere medir una vibración, lo primero que hay que definir es el propósito de lamedición. Sin embargo, hay algunas recomendaciones generales que cabe al respecto.

Medición de la aceleración:• Usada en mediciones de alta frecuencia, donde la medición de la aceleración

proporciona altas señales de salida.• Usada donde las fuerzas, cargas y esfuerzos deben ser analizados• Usada donde se requiere un sensor pequeño y liviano

Medición de velocidad:

• Usada en la medición de vibraciones que deban ser correlacionadas con mediciones deruido acústico.• Usada en rangos de frecuencia intermedia, donde los sensores de desplazamiento

pueden generar una salida demasiado pequeña como para obtener una mediciónconveniente.

• Usada extensamente en mediciones sobre máquinas cuyos espectros vibratorios son másuniformes que los espectros del desplazamiento y de la aceleración.



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Medición del desplazamiento:• Usada donde la amplitud del desplazamiento es particularmente importante (en

elementos que no deben tener contacto, o donde un desplazamiento más allá de uncierto valor dado puede tener como resultado un daño del equipo).

• Usada donde la magnitud del desplazamiento puede ser indicativo del valor del esfuerzoque debe ser analizado.

• Usada en vibraciones de baja frecuencia, donde la señal de salida de un velocímetro ode un acelerómetro puede ser demasiado pequeña como para que resulte útil.

• Usada para medir movimiento relativo entre partes rotatorias y fijas de la máquina.

Características básicas de los transductores de vibración.-

Rango de frecuencia.- Corresponde al rango de frecuencia de las componentes armónicas que eltransductor puede captar confiablemente.

Rango dinámico.- Corresponde a la relación entre la máxima y la mínima señal que el sensor

puede discriminar. Esta magnitud se especifica en dB. Un rango dinámico estrecho puedelimitar enormemente el rango de frecuencia de medición de señales que tengan un espectro muydes-uniforme (como el desplazamiento, por ejemplo)

Sensibilidad: Corresponde a la relación entre la salida eléctrica en [mV] del transductor (señalque llega al aparato medidor) y la señal mecánica (vibración) que la genera (por ejemplo:mm/seg).

Sensibilidad transversal: corresponde al % de la vibración transversal que un sensor puedecaptar. Típicamente, para los acelerómetros esta sensibilidad varía entre (2÷5)%.

Sensores de vibración

• Sensores de desplazamiento relativo sin contacto• Velocímetros• Acelerómetros

Sensores de desplazamiento relativo sin contacto.- Este sensor genera una señal de salidaproporcional a la distancia entre la punta del cabezal del medidor y la superficie del eje; enconsecuencia, tiene una componente estática (de corriente continua), proporcional a la distanciamedia entre la punta del cabezal medidor y el eje, superpuesta con una señal proporcional a lavibración del eje. Los elementos que componen este sistema de medición son los siguientes: i)la sonda o cabezal medidor (probe), que es una bobina eléctrica encapsulada en un materialestable (como fibra de vidrio) y atornillada a la carcaza. Ii) El “drive” o “proximitor”, que es unoscilador-demodulador que , por un lado envía la señal de alta frecuencia (aprox. 1.5mHz) y,

por otro , demodula la señal que viene de la bobina, dejando una señal proporcional a ladistancia entre la punta de la sonda y la superficie vibrante. iii) Para su funcionamiento, eldrive necesita ser alimentado por una fuente de poder continua de –18 a –24 volts; cuando lasonda está ubicada cerca de una superficie conductora inducirá en ella corrientes parásitas, lasque alterarán el campo magnético de la bobina. Dentro de cierto rango, la variación de voltajeen los bornes de ella será proporcional a la distancia “d”.El rango de frecuencia práctico de estos sensores es 0÷1000Hz.



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NOTA: un aspecto importante a tener en cuenta en la medición con este tipo de sensores es el“runout”. Se denomina “runout” a las señales generadas por heterogeneidades mecánicas oeléctricas en la superficie del eje. Las normas API-670 limitan la rugosidad superficial a0.4÷0.8 µm, y la magnitud del runout a un 25% de la máxima amplitud pico a pico de lavibración 2.5mils (6µm).

Velocímetros.- Son sensores de masa sísmica. No pueden medir frecuencias menores que10Hz. Su rango de frecuencia es 10÷1500Hz. El velocímetro no necesita ser energizadoexteriormente.

Acelerómetros.- Puede ser de “masa sísmica” o “piezo-eléctricos”. Su rango de aplicaciónpuede ser bastante amplio, lo cual depende del acelerómetro particular. Se puede medirvibraciones en un rango de frecuencias de 1÷10000Hz. Un aspecto importante a tener encuenta es el montaje de los acelerómetros. Interesa que la sujeción del acelerómetro a lasuperficie vibrante sea lo más rígida posible, dado que éste funciona como una soportaciónflexible, “aislando” las vibraciones cuyas frecuencias sean mayores que 1.4[k/m] 1/2, dondek=rigidez de la unión, m=masa del acelerómetro. En consecuencia, una sujeción débildisminuye drásticamente el rango de frecuencia que el acelerómetro puede medir

confiablemente. Los acelerómetros necesitan ser energizados exteriormente.

DIAGNÓSTICO DE FALLAS A TRAVÉS DEL ANÁLISIS DE LA VIBRACIÓN

La idea básica en que se sustenta el diagnóstico de fallas a través del análisis de la vibración esque los diversos problemas (condiciones anómalas de funcionamiento, cambios estructurales,-tales como desgastes, solturas, picaduras, agrietamientos-, precursoras de fallas funcionales)que se puedan generar en una máquina rotatoria producen fuerzas características, característicasque se reflejan en la vibración de la máquina; esta idea se representa en el esquema siguiente.

PROBLEMA

FUERZA MAQUINA VIBRACIÓNCARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICA

Las características de la vibración pueden ser su forma y/o las frecuencias de sus componentesarmónicas (componentes de la vibración).

Aunque las técnicas utilizadas en el diagnóstico de fallas son varias, las más utilizadas en elámbito industrial son: a)análisis del espectro de la vibración, b)análisis de la forma de la onda, yc) análisis de la órbita descrita por el movimiento del centro del eje. A continuación se hace unabreve descripción de las dos primeras.

Análisis de las componentes del espectro de la vibración.La idea básica de esta técnica es la siguientes: las condiciones anormales de funcionamiento deuna máquina generan vibraciones con componentes espectrales de frecuencias características.El análisis de la vibración (espectro) permite identificar las componentes de la vibración, y, a



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partir de ello, asociarlas con algún problema específico. Este procedimiento requiere conocerlas características de las fuerzas generadas por cada uno de los problemas que puedan afectar ala máquina, y por lo tanto, las frecuencias generadas por cada uno de ellos. Existen tablas queproporcionan esta información; sin embargo, el problema que se presenta es que problemasdistintos pueden generar vibraciones de iguales frecuencias, lo cual requiere un análisis muycuidadoso, debiendo observarse también las fases de las componentes del espectro de la

vibración, y las direcciones preferentes de la vibración.

¿Cómo analizar un espectro vibratorio?• Relacionar en forma precisa las frecuencias de las componentes del espectro de la

vibración con la velocidad de rotación de la máquina, o con otras velocidades de“rotación” (ejemplo: de correas). De esta forma, cada frecuencia se expresa de laforma f=n x rpm. Por ejemplo, si la velocidad de rotación de la máquina es1480[rpm] y la componente del espectro que se está considerando tiene unafrecuencia igual a 1480[cpm], entonces f=1xrpm. Si la frecuencia fuera2960[cpm], entonces ella corresponderá a 2xrpm. En la práctica, al referirse a unafrecuencia determinada, se omite el término “rpm”. Se dice entonces que unadeterminada frecuencia corresponde a la 1x, otra a la 2x, otra a una 2.56x, etc. Esimportante tener en cuenta que cuando la fuerza que genera la vibración no esarmónica, ella generará una vibración cuyo espectro tendrá una componente a lafrecuencia fundamental y otras a múltiplos enteros de ésta. Por ejemplo, un impactopor cada revolución de la máquina producido por el contacto de una parte rotatoriacon una parte fija de la máquina, producirá una vibración con componentes a 1x, 2x,3x,.; las magnitudes de cada una de estas componentes dependerá de la “forma” dela fuerza y de la relación que exista entre las frecuencias de la excitación(frecuencias de las componentes del espectro de la fuerza) y de las frecuenciasnaturales de la máquina. Si la frecuencia fundamental es distinta de la frecuenciade rotación, por ejemplo f e, entonces las armónicas de ésta serán 2f e, 3f e,...Hay casosespeciales en que se pueden producir componentes sub-armónicas,correspondiendo éstas a frecuencias que son una fracción de otra frecuencia; porejemplo: x/2, x/3, x/4, etc.

• Para cada componente (caracterizada a través de su frecuencia) vibratoria o grupode componentes, se debe determinar la causa que la(s) genera. Considerar que lasvibraciones pueden provenir de origen mecánico, eléctrico o de un fluido. Loprimero que hay que hacer es identificar la naturaleza del origen de la vibración.

Análisis de la forma de la onda: Resulta útil cuando la forma de la onda (de la vibración) permite observar con claridad lascaracterísticas de la(s) fuerza(s) que están actuando sobre la máquina; por ejemplo, en el caso devibraciones producidas por fuerzas tipo pulso (impactos periódicos). En este caso la inspecciónde la forma de la onda permite ver con claridad la presencia de pulsos (picos) periódicos de lavibración y, por lo mismo, se puede determinar clara y fácilmente la periodicidad de estos

pulsos. En este caso, el espectro de la vibración presenta varias componentes armónicas de lafrecuencia de impacto (las conclusiones no son evidentes como las derivadas del análisis de laforma de la onda).

En la figura siguiente (onda.jpg)se muestra la forma de la onda y el espectrocorrespondiente a la vibración medida en el descanso de una máquina que presentaun rodamiento dañado. La forma de la onda permite ver con claridad los impactosproducidos con un periodo igual a 18[mseg] (18⋅10-3 seg). La frecuencia fundamentalcorrespondiente es 55[hz]; teniendo en cuenta que la máquina gira a 899[rpm],55[hz]=3.67x, frecuencia que en este caso corresponde a la BPFO del rodamiento.



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Obsérvese que el espectro de la vibración muestra un gran número de componentesarmónicas de la frecuencia a 55[hz]. En este caso el análisis del espectro permitedeterminar con claridad la causa del problema, debido a que la frecuencia 55[hz] no essincrónica con la velocidad del rotor, y es fácilmente atribuible al rodamiento; cuandolos impactos se producen con la misma frecuencia que la de rotación de la máquina,las componentes armónicas pueden tener distintas interpretaciones.

Onda.jpg

TABLA DE FRECUENCIAS CARACTERÍSTICAS

PROBLEMA FRECUENCIA DE LAVIBRACIÓN DOMINANTE

DIRECCIÓN OBSERVACIONES

Elementos rotatoriosdesbalanceados

1 x rpm Radial Una causa común

Desalineamiento y ejesdoblados

Usualmente 1 x rpmFrecuentemente 2 x rpmA veces 3 & 4 x rpm

Radial y axial Un defecto común

Elementos derodamientos dañados

Frecuencia de impacto de loscomponentes individuales delrodamiento. Tambiénvibraciones de altas frecuen_cias (2 a 60 khz), frecuente_mente relacionadas con fre_cuencias naturales de vibra-ciones radiales.

Radial y axial Niveles vibratoriosirregulares, frecuentementecon impactos.

Frecuencias características:BPFO: frec. defecto pista ext.BPFI: frec. defecto pista internaBSF: frec. defecto en bolitas.

Engranajes dañados odesgastados

Frecuencia de engrane (f e=rpm eje x número dientes) yarmónicas.

Radial y axial Bandas laterales alrededorde la frecuencia de engraneindica modulación (porejemplo, excentricidad) a lafrecuencia igual a la deespaciamiento entre lasbandas laterales)

Solturas mecánicas 2 x rpm También sub-armónicasFallas en correas 1, 2, 3 & 4 x rpm de la correa Radial El problema preciso puede

ser identificado visualmentecon ayuda de unestroboscopio

Turbulenciasaumentadas

Frecuencia de paso de álabesy armónicas

Radial y axial Un aumento del nivel indicaun aumento de laturbulencia

Vibraciones inducidaseléctricamente

1xrpm ó 1 o 2 veces lafrecuencia sincrónica

Radial y axial Debe desaparecer si sedesconecta la energíaeléctrica

Fuerza y momentosalternativosdesbalanceados

1xrpm y/o múltiplos Principalmenteradial

EJEMPLO: abrir archivo ejemplo.jpg



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Ejemplo.jpg

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