Vibraciones mecánicasING. LUIS HUMBERTO BOLIVAR MORENO

Introducción

Cada máquina rotativa presenta una vibración característica

que la diferencia de forma única, y se conoce comúnmente

como firma de vibración. Esta señal está totalmente

condicionada por su diseño, fabricación, uso y desgaste de cada

uno de sus componentes. Si el mecánico o ingeniero de

mantenimiento al cargo de un equipo industrial invierte su tiempo

y esfuerzo en conocer la naturaleza de la vibración que esta

presenta, no tardará mucho tiempo en lograr un importante

ahorro de costes de operación y mantenimiento.

Introducción

La técnica de análisis espectral de vibraciones es la técnica más

extendida en el dominio del mantenimiento predictivo para la

detección de fallos en máquinas. Esto se debe al amplio rango

de problemas detectables y a la claridad con la que se

identifican. Este curso va dirigido a todos aquellos que quieran

iniciarse en el análisis de vibraciones o recordar algunas

cuestiones de base.

¿Qué es una vibración?

En términos muy simples una vibración es un movimiento

oscilatorio de pequeña amplitud. Todos los cuerpos presentan

una señal de vibración en la cual plasman cada una de sus

características. De acuerdo a esto, las máquinas presentan su

propia señal de vibración y en ella se encuentra la

información de cada uno de sus componentes. Por tanto,

una señal de vibración capturada de una máquina se

compone de la suma de la vibración de cada uno de sus

componentes.

¿ Por qué realizamos análisis de vibraciones?

Las máquinas con problemas fallan ocasionando:

Daños secundarios.

Tiempos muertos.

PRÁCTICAS DE MANTENIMIENTO.

Si medimos la vibración:

Buscamos patrones.

Buscamos variaciones.

Detectamos problemas con suficiente tiempo y actuar adecuadamente.

Desbalance, daños en rodamientos y su severidad.

Reducción de costos.

Mejorar tiempos de producción.

Malas técnicas de mantenimiento.

Mala mesa de diseño.

Mala instalación, ensamble o construcción.

¿ Por qué fallan las máquinas?

Cuatro etapas para la detección de problemas:

1. Detección:

Es verificar que máquinas tienen problemas.

2. Análisis:

Mediante estudio de espectros, formas de onda, tendencias y comparación histórica,

es posible detectar que problema existe y que tan severo es.

3. Análisis de causa raíz:

Es determinar que es lo que generó la condición de falla del

equipo y realizar las recomendaciones y cambios necesarios

evitando que el problema se repita.

4. Verificación:

Cuando la máquina ha sido reparada debemos tomar mediciones

adicionales para garantizar que el problema fue reparado

adecuadamente.

Movimiento armónico simple

M

T

(1 ciclo)Tiempo

Amplitud.

Es la severidad de la vibración, equivale a la altura de los ciclos.

Amplitud “Pico – a – Pico”

La amplitud pico a pico es la magnitud medida desde la parte inferior

hasta la parte superior del pico.

Amplitud “Pico”

La amplitud pico es la magnitud medida desde cero hasta la parte

superior del pico (ó inferior).

Para gráficas puramente sinusoidales.

Amplitud RMSRaíz Cuadrática Media o RMS

Áreas iguales

Escala de factores

Cuando se comparan las

señales de vibración global, es

importante que estas sean

medidas en el mismo rango de

frecuencia y con la misma

escala de factores.

PEAK-PEAK

PEAK

RMS

RMS. “Raíz cuadrática media”

En el caso de una sinusoidal pura el valor RMS es de 0.707 veces el

valor pico.

La amplitud de la vibración siempre están dadas como niveles RMS,

Pico ó Pico – a – Pico.

Combinación de fuentes

0

+

-

0

+

-

0

+

-

0

-

+

Tiempo

La forma de onda contiene todas las

diferentes frecuencias mezcladas.

Forma de Onda

Período y frecuencia.

Período.

Es el intervalo entre dos puntos equivalentes de una onda.

Frecuencia.

Es el número de repeticiones o períodos por unidad de tiempo.

La frecuencia es el inverso de período.

Generalmente la frecuencia se describe en Ciclos Por Minuto (CPM)

La frecuencia en ciclos por minuto es 60 veces el valor de la

velocidad en Hertz (Hz) ó ciclos por segundo.

Amplitud y Frecuencia

La frecuencia de la vibración indica la

fuente potencial del problema, también

‘que tan frecuente’ se repite el problema

por si mismo. La amplitud de la vibración

indica la severidad del problema.

Amplitud

Frecuencia

Velocidad y la forma de onda.

Con forme aumenta la velocidad, la frecuencia aumenta de igual forma

ya que es directamente proporcional.

Desplazamiento, Velocidad, Aceleración

Desplazamiento: Es el cambio en distancia o posición

de un objeto relativo a una referencia.

Velocidad: La variación del desplazamiento con

respecto al tiempo.

Aceleración: Es la variación con respecto al tiempo.

Relación entre las unidades de medición

Aceleración

(altas frec.)

Velocidad

(propósito general)

Desplazamiento

(bajas frec.)

600

cpm

600,000

cpm

FRECUENCIA

Hz

AMPLITUD

(mils, in/sec. ,g’s)

Unidades de medición

Desplazamiento: Mils o Micras

Velocidad: in/sec. o mm/sec.

Aceleración: G’s o Ft/sec. o m/sec.

Escala de factores

Cuando se comparan las señales de vibración global,

es importante que estas sean medidas en el mismo

rango de frecuencia y con la misma escala de

factores.

PEAK-PEAK

PEAK

RMS

Desbalance

La fuerza creada por un cuerpo rotatorio

cuando su centro de masa se desplaza

de su centro de rotación.

Centro de Masa = Centro de Rotación

Rotación

Punto Pesado

Centro de Masa Línea de Centro

Desbalance

Aparición de la 1X predominante en el espectro

a la velocidad de operación del equipo.

DesalineaciónEl desalineamiento es una condición en la que los centros geométricos

de dos o mas ejes acoplados no coinciden.

En casi todas las condiciones de desalineamiento se presenta una

combinación de ambos tipos de desalineamiento.

Desalineación Angular Desalineación Paralela

Desalineación Angular

Se da cuando los ejes se

encuentran en algún punto pero no

están paralelos.

Se da cuando los centros de línea

están paralelos pero no coinciden.

Desalineación Paralela

Causas de Desalineamiento

Mal ensamble de componentes.

Desplazamiento relativo entre componentes después del

ensamble.

Deflexión de componentes por tuberías o soportes flexibles

Expansión térmica.

Mal maquinado de acoples.

Problemas de pata coja o tornillos sueltos o flojos.

Excentricidad

Se da cuando el centro de rotación esta desplazado del

centro geométrico en una polea, piñón, rodamiento o

rotor. Los síntomas son muy similares al desbalance.

En maquinas de trasmisión por bandas, existirá vibración a

1X en ambos componentes, sin embargo, por la diferencia

de velocidades, dichos picos estarán a diferentes

frecuencias.

Este problema puede ser verificado quitando las bandas y

luego retomando las mediciones solamente del motor.

Excentricidad

Solturas Mecánicas

Este tipo de solturas mecánica es cuando por soltura

o debilitamiento de las patas, placa base o

cimentación de la máquina, también puede ser

causado por el grout deteriorado, tornillos de fijación

sueltos en la base o por exceso de pata suave.

Solturas Mecánicas

Este tipo de solturas mecánica es causada generalmente por

aflojamiento o soltura en los tornillos de sujeción de

chumaceras de apoyo, grietas en la estructura de apoyo o

grieta en los pedestales.

Este tipo de solturas mecánica normalmente

ocasionada por un contacto inapropiado

entre los componentes de un rotor

ocasionando múltiples armónicos debido a

la respuesta no lineal de los componentes

sueltos hacia las fuerzas dinámicas

provenientes del rotor.

Solturas Mecánicas

Eje Doblado

La condición de eje doblado o flexionado

generará vibración dominante 1X en axial,

sin embargo, también se presentará un

componente a 2X por la torsión del eje.

Problemas en Rodamientos

Rodamientos Torcidos

Esta es una condición que se considera

como una forma de desalineamiento,

genera vibración considerable en

sentido axial mostrando picos elevados

a 1X, 2X y 3X.

Debido a la alta vibración axial,

también podrá confundirse con un

problema de desalineamiento o con

desbalance de una maquina en

cantiléver. La presencia de armónicos a

2X y 3X indicaran la presencia de un

rodamiento torcido.

Las nueve etapas de falla en rodamientos

Daño en la pista Interna.

Daño en la pista Externa.

Daño a paso de elementos rodantes.

Daño a paso de jaula.

Primera Etapa

En la primera etapa, las frecuencias se encuentran en el

rango de 20 a 60 KHz y probablemente mas.

En esta etapa es normal en la operación del rodamiento

y no hay que alarmarse.

Segunda Etapa

Ahora podemos observar los daños para que el

rodamiento resuene como campana a su frecuencia

natural. Esta señal actúa también como una portadora ,

modulando la frecuencia de fallo del componente con

el problema.

Tercera Etapa

Ahora comenzamos a ver la presencia de frecuencias

de fallo. Primero veremos solamente las fundamentales

por si solos. Para este ejemplo se muestra la pista

interna.

Conforme el daño se hace mayor, la amplitud del pico

de BPFI aumentará.

Debemos aclarar que los rodamientos no siempre

muestran los patrones clásicos de degradación. Los

patrones de daño pueden aparecer y desaparecer

entre las mediciones.

Cuarta Etapa

Conforme el daño se hace mayor, las frecuencias de fallo

comenzarán a generar picos armónicos. Esto indica que

ya se están dando impactos.

Hay ocasiones en las que los armónicos aparecerán

antes que las frecuencias fundamentales se vean. Por lo

consiguiente busque cualquier pico no armónico y

verifique si muestra armónicos de ese pico.

Quinta Etapa

Conforme los datos se hacen mayores los niveles de

vibración aumentarán y aparecerán mas armónicos.

También aparecerán bandas laterales, dependiendo de

la naturaleza del daño, Los impactos serán mas

pronunciados.

Sexta Etapa

Ahora la amplitud de 1X aumentará y tendremos

armónicos de 1X. Esto puede atribuirse en las holguras,

producto de los daños.

Séptima Etapa

Para esta etapa las frecuencias fundamentales de fallo y

sus bandas laterales son remplazadas por

acumulaciones en el espectro esto se debe a la

cantidad de ruido o energía. En esta etapa podría oír el

rodamiento si se para muy cerca de la máquina.

Así mismo notamos que la tendencia de las mediciones

a alta frecuencia comienza a disminuir. Si usted toma

mediciones ultrasónicas y observa que la tendencia

decae no se alegre, por lo contrario, tómense un

momento para solicitar los nuevos rodamientos.

Octava Etapa

Las cosas se están poniendo feas, las

acumulaciones de energía aumentan la

cantidad de armónicos y sus amplitudes y

mas importante ahora tenemos el efecto de

piso elevado en todo o en varias secciones

del espectro. Ahora puede escuchar el

rodamiento, !El tiempo se acaba!

Novena Etapa

Muy bien se lo advertimos. En el espectro ahora estará

plano porque la máquina ya no esta en operación.

Resonancia

La resonancia ocurre cuando una frecuencia forzante,

como el desbalance o el desalineamiento, etc. Coincide

con la frecuencia natural del sistema y puede causar

amplificaciones sustanciales en los niveles de vibración, las

cuales pueden ser ocasionadas en fallas prematuras o

catastróficas.

Resonancia

La resonancia ocurre cuando una frecuencia forzante, en

este caso seria las bandas. Coincide con la frecuencia

natural del sistema y puede causar amplificaciones

sustanciales en los niveles de vibración, las cuales pueden

ser ocasionadas en fallas prematuras o catastróficas.