Análisis De Vibraciones ( Maquinas Rotatorias

EL ANÁLISIS DE VIBRACIONES COMO HERRAMIENTA PARA DETECTAR FALLAS EN MAQUINAS ROTATIVAS

Ha generado un gran impacto en la industria por sus beneficios económicos y su capacidad para diagnosticar, en modos tempranos, un posible daño en los sistemas. Múltiples técnicas han sido empleadas para la caracterización de las señales de vibración, típicamente con fallas en los rodamientos y caja de reducción; adicionalmente, el desbalanceo y la desalineación del eje son problemas fundamentales que ocasionan un deterioro de los demás elementos del sistema. Por tanto, la identificacion temprana de este tipo de fallas, mejora el rendimiento del sistema y evita que se presenten futuros inconvenientes.

El análisis de vibraciones mecánicas es una de las técnicas de Mantenimiento Preventivo más utilizada debido al bajo costo en relación con otras técnicas, a la posibilidad de efectuarlo sin necesidad de hacer una parada en el proceso de producción, y a sus buenos resultados en el diagnóstico de fallas en m´ maquinas rotativas.

¿QUÉ ES VIBRACIÓN?

En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición de equilibrio es a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero, lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma dirección en cualquier momento.

La técnica más empleada para caracterizar tipos de fallas es la Transformada rápida de Fourier (TRF), donde la amplitud y frecuencia de cada componente espectral está asociado a un mecanismo en particular, considerando estos parámetros como el factor discriminante para diferenciar todo tipo de fallas.

LA TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER (TRF)

La TDF para uso con computadoras digitales, fue desarrollada; es un algoritmo. Para calcular la TDF de manera rápida y eficaz. Son Cooley y Tuckey que fueron acreditados con el descubrimiento de la TRF en 1967, pero ya existía desde antes, aunque sin las computadoras que se necesitaban para explotarla. El algoritmo pone algunas limitaciones en la señal y en el espectro resultante. Por ejemplo: la señal de la que se tomaron muestras y que se va a transformar debe consistir de un número de muestras igual a un poder de dos. La mayoría de los analizadores TRF permiten la transformación de 512, 1024, 2048 o 4096 muestras. El rango de frecuencias cubierto por el análisis TRF depende de la cantidad de muestras recogidas y de la proporción de muestreo, como lo veremos en breve.

PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES DE VIBRACIÓN

El procesamiento digital de la señal de vibración, para diagnóstico de fallos, puede ser abordado a partir de dos contextos: tradicional y académico e investigativo. La diferencia entre ambos depende no solo de la posición geografica sino también de los equipos e instrumentación disponible. Por ejemplo, en países desarrollados, con alto nivel de tecnología, se encuentran sistemas de monitoreo de condición complejos, que contienen un alto grado de eficiencia y tienden a realizar un diagnóstico automático. Contrario sucede en países en vía de desarrollo, como Colombia, donde se emplea un análisis con base en sistemas simples, que tienen una capacidad de diagnóstico muy limitada porque solamente proveen una gráfica, (ya sea en el dominio del tiempo o la frecuencia), de donde un especialista infiere el estado de la máquina. Por cuanto, el diagnóstico es netamente subjetivo a la experiencia de esta persona.

Análisis tradicional: Este tipo de análisis se caracteriza principalmente porque depende de los conocimientos de un especialista y, por ende, el diagnóstico es subjetivo porque el acierto está supeditado en un alto porcentaje, a la capacidad del especialista para interpretar las señales de vibración obtenidas y la agudeza de los sentidos (oído, tacto, visión) que este posea, cuando se encuentra en contacto con la máquina, dado que la maquina manifiesta síntomas de su estado, desde toda perspectiva.

Análisis Académico e Investigativo: comprende todo el proceso de reconocimiento y clasificacion de patrones en las señales de vibración, y es dividido en varias etapas de acuerdo a la teoría de aprendizaje de maquina: espacio de representación, estimación de características, extracción de características relevantes y clasificacion. El resultado final del sistema de diagnóstico automático depende del funcionamiento secuencial y coordinado de todas las etapas, en otras palabras, si el conjunto de características no representa las propiedades intrínsecas de la señal ni genera buena separabilidad, los resultados de la clasificacion no serían correctos.

ESTADO DEL ARTE EL ANALISIS DE VIBRACIONES

Ha sido abordado por diferentes investigadores desde varios aspectos: el primero es según los tipos de fallos a analizar, ya que el análisis está enfocado a la detección de un conjunto de fallas en particular (fallas en el eje o en rodamientos o en ruedas dentadas) y en ningún momento se considera la maquina o sistema en su totalidad.

El segundo es de acuerdo a la concepción del funcionamiento o condiciones de operación de la máquina, ya sea velocidad constante o condiciones de carga y velocidad variable, llegando a categorizar las señales de vibraciones en dos regiones, régimen permanente y régimen de carga y velocidad variable respectivamente.

CONTEXTO MECANICO

Las maquinas rotativas son un grupo de mecanismos diseñados para cumplir una función especial (reductores, bombas, agitadores, entre otros). Así, todas las maquinas se componen de una parte generadora de movimiento (motor, biela), y otra parte que se encarga de llevar la energía a todos los mecanismos que la conforman (eje). Principalmente este último, es quien rige el funcionamiento y es la pieza principal, ya que este componente determina la velocidad de giro de la máquina y es el encargado de transmitir las vibraciones a todos los mecanismos presentes como elementos rodantes o rodamientos, ruedas dentadas, acoples y soportes.

DINÁMICA DE SISTEMAS MECÁNICOS

La mayoría de los sistemas mecánicos son más complejos que una masa sencilla , ya que necesariamente se mueven como un entero, cuando son sometidos a una fuerza. Sistemas mecánicos como máquinas rotativas no tienen una rigidez infinita y tienen varios grados de flexibilidad a varias frecuencias. Como lo veremos, su movimiento en respuesta a una fuerza externa depende de la naturaleza de esta fuerza, y las características dinámicas de su estructura mecánica y muchas veces es muy difícil predecirlas

Medición de Amplitud de Vibración Las definiciones siguientes son de aplicación a la medición de la amplitud de las vibraciones mecánicas.

• Amplitud Pico (Pk) es la distancia máxima de la onda del punto cero o del punto de equilibrio.

• Amplitud Pico a Pico (Pk-Pk) es la distancia de una cresta negativa hasta una cresta positiva. En el caso de una onda senoidal, el valor pico a pico es exactamente dos veces el valor pico, ya que la forma de la onda es simétrica. Pero eso no es necesariamente el caso con todas las formas de ondas de vibración, como lo veremos dentro de poco.

• Amplitud Raíz del Promedio de los Cuadrados (RPC) Es la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda senoidal el valor RPC es igual a 0. 707 del valor pico, pero esto es solo válido en el caso de una onda senoidal. El valor RPC es proporcional al área abajo de la curva. Si se rectifica a los picos negativos, eso quiere decir si se les hace positivos, y el área abajo de la curva resultante está promediado hasta un nivel medio este nivel es proporcional al valor RPC.

El nivel de vibración puede estar dado en términos de la aceleración (g), velocidad (mm/s) o desplazamiento (µm), y la intensidad de vibración está determinada por el fabricante mediante cartas espectrales y en casos generales rigen las normas ISO-10816, en la que los niveles de vibración general se clasifican de acuerdo con la velocidad de vibración.

CLASIFICACIÒN:

Las maquinas rotativas se agrupan dependiendo de las condiciones de operación y fabricación de las mismas. Por tanto, se pueden categorizar en dos grandes grupos; según su comportamiento, ya sea rotor flexible o rígido.

Un rotor flexible implica que la frecuencia de giro máxima de la maquina está por encima de la frecuencia fundamental del sistema (turbinas, motores de combustión interna) ya sea la maquina como tal o la cimentación donde está se encuentra, lo cual implica que existen velocidades de funcionamiento para los cuales el sistema entra en resonancia, conocidas como velocidades críticas, y son de gran cuidado debido a que en el momento de pasar por ellas, la intensidad de vibración presentan un aumento considerable.

Se denomina rotor rígido, donde no se presenta el fenómeno de resonancia porque las frecuencias en mención no se cruzan en ningún momento. La resonancia no es catalogada como una falla de la maquina, pero sus implicaciones sobre el nivel de vibración de está pueden llegar a ser muy altas. Así, una máquina que opera en condiciones de resonancia presenta un alto nivel de vibración y puede causar daños muy rápidamente.

Durante pruebas de arranque, la forma de onda de tiempo indicar a un máximo cuando las RPM igualan las frecuencias naturales.

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