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Introducción a la tecnología de VIBRACIONES

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Filosofías de Mantención

• Mantención cuando falla• Mantención Preventiva (Programada)• Mantención Predictiva

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Mantención cuando falla

• No hay mantención (Maquina corre hasta que falla)• Perdida de producción, Calidad reducida• Fallas catastróficas pueden llevar a daños extensivos

(Reemplazo completo de la máquina) • Asuntos relacionados con la seguridad• Costos hasta tres veces mayores

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Mantención Preventiva o Programada

• Ventajas

- Desarmes e inspecciones periódicas – Menor frecuencia de fallas y reparaciones– Permite programar trabajos, partes y procedimientos

• Desventajas– Desarmes periódicos de máquinas criticas (y no criticas)

es costoso y toma tiempo– Periodos e intervalos son difíciles de determinar– Frecuentemente problemas son introducidos durante las

reparaciones e inspecciones

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Mantención Predictiva

• Envuelve la tendencia y el análisis de los parámetros de condición de la maquinaria– Vibración en máquinas– Análisis de aceite– Test de espesor ultrasónico– Análisis de corrientes de motor– Termografía Infrarroja– Temperatura de descansos

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Ventajas de la Mantención Predictiva:

• Minimiza daños en las máquinas y permite programar trabajos y materiales para las paradas

• Ayuda a eliminar costosos acercamientos de prueba y error para solucionar problemas

• Permite a máquinas en buenas condiciones de operación continuar corriendo

• Elimina reparaciones innecesarias• Mejora la seguridad y la calidad de funcionamiento

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La mantención tradicional es costosa

En Norte América:• 65% de la mantención es Correctiva• 30% de la mantención es Preventiva

– De los cuales 60% es innecesaria• 5% es Predictiva

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5

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Correctivo PM Predictivo

Costo relativode

mantención

versus

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Que es Vibración?

• Cualquier movimiento que se repite por el mismo en un intervalo de tiempo es llamado vibración u oscilación

• Movimiento oscilatorio y cíclico de una máquina o componentes de ella desde su posición de descanso

• Muy simple…– Una respuesta a una fuente de excitación (Campana)

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Mechanalysis

• Es natural asociar el nivel de movimiento y el ruido con la condición de la máquina

• Cada defecto en una máquina genera su propia y única vibración

• Mechanalysis es el monitoreo de las características de una máquina (como las vibraciones) que nos permitirá fabricar una tendencia la cual nos hablará de su condición

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Causas de las Vibraciones:

• Fuerzas que cambian de dirección en el tiempo (Desbalance rotatorio)

• Fuerzas que cambian de amplitud o intensidad en el tiempo (Problemas en motores)

• Fuerzas de Roce (Roce en Motores)• Fuerzas que causan impactos (Defectos en rodamientos)• Fuerzas generadas aleatoriamente (Turbulencia)

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Causas comunes de vibración:

• Desalineamiento• Desbalance• Soltura• Excentricidad• Rodamientos defectuosos• Resonancia• Problemas eléctricos• Fuerzas Aerodinámicas / Hidráulicas

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Las fuerzas son Dinámicas

• Aumento de las fuerzas dinámicas reducen la vida de los rodamientos drásticamente

• La amplitud de vibración en máquinas es directamente proporcional a la cantidad de fuerzas dinámicas generadas

• Si la fuerza generada es disminuida, la vibración disminuye y la vida de la máquina aumenta

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Programa de Mantención Predictivo basado en el análisis de Vibraciones

• Monitoreo de condición consiste en cuatro pasos lógicos– Detección– Análisis– Corrección– Verificación

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Detección

• Datos precisos de vibración son colectados en modo de ruta

• Analizadores, colectores de datos, y monitoreo continuo• Bases de datos son llenadas en un computador • Se correlacionarán con otros datos que no son

vibración

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Detección (Construyendo una base de datos)

• Identificar parámetros a medir– Vibración (Desplazamiento, Velocidad, Aceleración,

Spike Energy)• Identificar direcciones (H, V, A) • Identificar posiciones (Rodamientos) donde las lecturas

serán tomadas

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Numeración convencional (Construyendo una base de datos)

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Detección (Construyendo una base de datos)

• Establecer alarmas y niveles de peligro– Por experiencia– De acuerdo a recomendaciones del fabricante– Especificaciones publicadas por la empresa– Tablas de severidad– Tablas de alarmas globales

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Detección (Construyendo una base de datos)

• Establecer especificaciones para colección de espectros (FFT)

• Organizar máquinas en una ruta• Determinar intervalos de colección• Construir base de datos puede ser largo pero el programa lo

hace fácil

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Tendencia

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Espectro

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Análisis

• El modo de detección ha encontrado un “problema”• Marcar la naturaleza del problema• Puede requerir más información detallada

– Datos de frecuencia de vibración– Lecturas globales adicionales– Datos de fase de vibración– Otros datos (i.e.: partículas en el aceite)

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AnálisisEvaluar Basado en:

• Amplitud • Frecuencia• Fase• Tendencia• Gráficos de espectro (Dominio de la Frecuencia)• Onda en el tiempo (Dominio del Tiempo)• Diagramas en cascada

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Cascada

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Corrección

• Mantenedores pueden programar de acuerdo a la urgencia de los problemas y en el tiempo que mejor acomode las necesidades de la operación de la empresa

• Fallas como rodamientos malos, fallas en engranajes y desalineamiento pueden ser corregidos utilizando procedimientos bien conocidos por la mayoría del personal de mantención

• Se necesita retroalimentación de los resultados

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Corrección

• Acción correctiva puede ser– balanceo – alineamiento– cambio de aceite– fijación de bases– reemplazo – apretar– soltura– cambio– aumentar – disminuir

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Aplicaciones Adicionales

• Inspecciones • Estándares de aceptación para máquinas• Control de calidad• Ingeniería• Servicio de campo

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Características del Sistema

• Características del sistema que determinan como una máquina particular reacciona a las fuerzas:

• La Masa del sistema de vibración• La Rigidez del sistema vibrante• Las cualidades amortiguantes del sistema

– Fuerza Vibrante = Ma + Rv + Kx• La fuerza vibrante trata de causar la vibración• M, C y K tratan de minimizar la vibración

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Características de la Vibración

• Frecuencia -

• Amplitud -

• Fase -

• CPM o Hertz

• Desplazamiento• Velocidad• Aceleración• Spike Energy

• Movimiento Relativo

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Frecuencia

• Medición del número de ciclos de vibración que ocurren en un periodo especifico de tiempo

• Nos dice a que razón la vibración esta ocurriendo

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Concepto simple de una onda en el tiempo

• El papel avanza al tiempo que el bloque oscila para arriba y abajo

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FREQUENCIA

• El tiempo requerido para completar un ciclo de vibración

• Inverso al periodo• Se mide en Hz /CPM• Convertido por un factor de 60• CPM tiene relación directa con

RPM

FREQUENCY = 1/PERIOD

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Necesidad de la Frecuencia

• Esencial para encontrar la causa del problema en la máquina

• La mayoría de los problemas de vibración exhiben frecuencias relacionadas con la velocidad de giro de las máquinas

• Proceso de eliminación para encontrar la falla exacta de la máquina

• Problemas no siempre múltiplo de las RPM

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Frecuencias comunes de fallas

• 1xRPM - Desbalance• 2xRPM – Desalineamiento o soltura• Frecuencias de línea eléctrica• Frecuencias de paso de alabes o aspas

Alabes o Aspas x RPM• Frecuencias de engrane

# de dientes en el engranaje X RPM del engranaje• Frecuencia de defecto en rodamientos

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FrequencyIn TermsOf RPM Most Likely Causes Other Possible Causes & Remarks

1 x RPM Unbalance 1) Eccentric journals, gears or pulleys2) Misalignment or bent shaft - If high axial vibration3) Bad Belts - If RPM of belt4) Resonance5) Reciprocating forces6) Electrical problems7) Looseness8) Distortion - soft feet or piping strain

2 x RPM Mechanical 1) Misalignment - if high axial vibrationLooseness 2) Reciprocating forces

3) Resonance4) Bad belts - if 2 x RPM of belt

3 x RPM Misalignment Usually a combination of misalignment and excessive axial clearances (looseness).

Less than Oil Whirl (less 1) Bad drive belts1 x RPM than 1/2 RPM 2) Background vibration

3) Sub-harmonic resonance4) "Beat" Vibration

Synchronous Electrical Common electrical problems include broken rotor bars, eccentric(A.C. Line Problems rotor unbalanced phases in poly-phase systems, unequalFrequency) air gap.2 x Synch. Torque Pulses Rare as a problem unless resonance is excitedFrequencyMany Times RPM Bad Gears Gear teeth times RPM of bad gear(Harmonically Aerodynamic Forces Number of fan blades times RPMRelated Freq.) Hydraulic Forces Number of impeller vanes times RPM

Mechanical Looseness May occur at 2, 3, 4 and sometimes higher harmonics ifsevere looseness

Reciprocating ForcesHigh Frequency Bad Anti-Friction 1) Bearing vibration may be unsteady - amplitude and frequency(Not Harmonically Bearings 2) Cavitation, recirculation and flow turbulence cause random,Related) high frequency vibration

3) Improper lubrication of journal bearings (Friction excited vibration)4) Rubbing

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La Vibración Real es Compleja

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La Vibración Real es Compleja

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Espectro Resultante (FFT)

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Otro Ejemplo

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Espectro Resultante (FFT)

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Términos en el Espectros

• Frecuencia Predominante – Mayor Amplitud• Frecuencias Sub-sincrónicas - Bajo 1xRPM

• Frecuencia Fundamental – La m´s baja de las frecuencias asociada con un problema particular

• Frecuencia Armónica – Multiplo exacto de la frecuencia fundamental

• Frecuencia de Orden – Mismo que Armonica

• Frecuencia Sub-armónica – Sub-multiplo exacto de la frecuencia fundamental

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Espectro Típico

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Amplitud

• Magnitud de la señal de vibración– Desplazamiento (Micrones)– Velocidad (mm/s)– Aceleración (g’s)– Spike Energy (g/SE)

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Tabla de severidad T.C. Rathbone

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Tabla de severidad Entek IRD

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Tabla de Alarmas GlobalesM A C H I N E T Y P E G O O D F A I R A L A R MC o o l i n g T o w e r D r i v e s

L o n g H o l l o w D r i v e S h a f t 0 - . 3 7 5 . 3 7 5 - . 6 0 0 . 6 0 0C l o s e C o u p l e d B e l t D r i v e 0 - . 2 7 5 . 2 7 5 - . 4 2 5 . 4 2 5C l o s e C o u p l e d D i r e c t D r i v e 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0

C o m p r e s s o r sR e c i p r o c a t i n g 0 - . 3 2 5 . 3 2 5 - . 5 0 0 . 5 0 0R o t a r y S c r e w 0 - . 2 7 5 . 2 7 5 - . 4 2 5 . 4 2 5C e n t r i f u g a l w i t h o r w i t h o u t E x t e r n a l G e a r b o x 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0C e n t r i f u g a l - I n t e g r a l G e a r ( A x i a l M e a s . ) 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0C e n t r i f u g a l - I n t e g r a l G e a r ( R a d i a l M e a s . ) 0 - . 1 5 0 . 1 5 0 - . 2 5 0 . 2 5 0

B l o w e r s ( F a n s )L o b e - T y p e R o t a r y 0 - . 3 0 0 . 3 0 0 - . 4 5 0 . 4 5 0B e l t - D r i v e n B l o w e r s 0 - . 2 7 5 . 2 7 5 - . 4 2 5 . 4 2 5G e n e r a l D i r e c t D r i v e F a n s ( w i t h C o u p l i n g ) 0 - . 2 5 0 . 2 5 0 - . 3 7 5 . 3 7 5P r i m a r y A i r F a n s 0 - . 2 5 0 . 2 5 0 - . 3 7 5 . 3 7 5L a r g e F o r c e d D r a f t F a n s 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0L a r g e I n d u c e d D r a f t F a n s 0 - . 1 7 5 . 1 7 5 - . 2 7 5 . 2 7 5S h a f t - M o u n t e d I n t e g r a l F a n ( E x t e n d e d M o t o r S h a f t ) 0 - . 1 7 5 . 1 7 5 - . 2 7 5 . 2 7 5V a n e - A x i a l F a n s 0 - . 1 5 0 . 1 5 0 - . 2 5 0 . 2 5 0

M o t o r / G e n e r a t o r S e t sB e l t - D r i v e n 0 - . 2 7 5 . 2 7 5 - . 4 2 5 . 4 2 5D i r e c t C o u p l e d 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0

C h i l l e r sR e c i p r o c a t i n g 0 - . 2 5 0 . 2 5 0 - . 4 0 0 . 4 0 0C e n t r i f u g a l ( O p e n - A i r ) - M o t o r & C o m p . S e p a r a t e 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0C e n t r i f u g a l ( H e r m e t i c ) - M o t o r & I m p e l l e r s I n s i d e 0 - . 1 5 0 . 1 5 0 - . 2 2 5 . 2 2 5

L a r g e T u r b i n e / G e n e r a t o r3 6 0 0 R P M T u r b i n e / G e n e r a t o r s 0 - . 1 7 5 . 1 7 5 - . 2 7 5 . 2 7 51 8 0 0 R P M T u r b i n e / G e n e r a t o r s 0 - . 1 5 0 . 1 5 0 - . 2 2 5 . 2 2 5

C e n t r i f u g a l P u m p sV e r t i c a l P u m p s ( 1 2 ' - 2 0 ' H e i g h t ) 0 - . 3 7 5 . 3 7 5 - . 6 0 0 . 6 0 0V e r t i c a l P u m p s ( 8 ' - 1 2 ' H e i g h t ) 0 - . 3 2 5 . 3 2 5 - . 5 0 0 . 5 0 0V e r t i c a l P u m p s ( 5 ' - 8 ' H e i g h t ) 0 - . 2 5 0 . 2 5 0 - . 4 0 0 . 4 0 0V e r t i c a l P u m p s ( 0 ' - 5 ' H e i g h t ) 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0G e n e r a l P u r p o s e H o r i z o n t a l P u m p ( D i r e c t C o u p l e d ) 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0B o i l e r F e e d P u m p s 0 - . 2 0 0 . 2 0 0 - . 3 0 0 . 3 0 0H y d r a u l i c P u m p s 0 - . 1 2 5 . 1 2 5 - . 2 0 0 . 2 0 0

M a c h i n e T o o l sM o t o r 0 - . 1 0 0 . 1 0 0 - . 1 7 5 . 1 7 5G e a r b o x I n p u t 0 - . 1 5 0 . 1 5 0 - . 2 2 5 . 2 2 5G e a r b o x O u t p u t 0 - . 1 0 0 . 1 0 0 - . 1 7 5 . 1 7 5S p i n d l e s : a . R o u g h i n g O p e r a t i o n s 0 - . 0 7 5 . 0 7 5 - . 1 2 5 . 1 2 5

b . M a c h i n e F i n i s h i n g 0 - . 0 5 0 . 0 5 0 - . 0 7 5 . 0 7 5c . C r i t i c a l F i n i s h i n g 0 - . 0 3 0 . 0 3 0 - . 0 5 0 . 0 5 0

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Guía Global de Velocidad

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Tabla de severidad en aceleración

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Determinando límites de Vibración

• Experiencia• Recomendación del Fabricante (Garantías)• Especificaciones corporativas publicadas (Comités)• Tablas de Severidad de Vibración• Tablas de Alarma Global• Comparación con equipos similares• Si una larga tendencia de una máquina dada, muestra un

nivel constante, esto puede ser considerado como normal para esa máquina

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Determinando Límites de Vibración

• Si no esta seguro que el nivel es normal– Compárelo con una máquina idéntica

• Si más alto que el promedio, analice

– Chequee aumentos de nivel de vibración

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Cuando utilizar Desplazamiento, Velocidad o Aceleración

Amplitud Falla Unidades FrecuenciaDesplazamiento Stress micrón pk-pk < 600 CPMVelocidad Fatiga mm/s pk 600-120K CPMAceleración Fuerza g’s pk >120K CPM

• La fatiga es la principal causante de fallas, pero el stress y la fuerza pueden causar fallas también

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Contorno de igual severidad

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Factores que Afectan la Amplitud

• Si el montaje es rígido o montado sobre amortiguador• Lo que la máquina hace (ej. Molino de martillo)

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Spike Energy

• Parámetro especial de amplitud obtenido utilizando filtros específicos

• Primera indicación de problemas en elementos rodantes de rodamientos

• Circuitos especiales detectan muy altas frecuencias, corta duración de pulsos de energía, generados por defectos como rayones en pistas de rodado

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Defectos en Rodamientos

• Defectos en rodamientos causan altas frecuencias con comparativamente baja amplitud

• Aun etapas avanzadas de falla pueden mostrar pequeños aumentos en Desplazamiento, Velocidad o Aceleración

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Los circuitos Spike Energy utilizan filtros pasa banda

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Tabla de flujo simplificado del proceso de obtención de la señal Spike EnergyTM

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Tabla de severidad Spike Energy

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Consideraciones Spike Energy

• Lecturas deben hacerse directamente sobre el rodamiento• Minimizar interfaces• Consistencia entre mediciones Siempre utilizar el mismo

acelerómetro• El montaje del transductor hace la diferencia• Hacer tendencia de Niveles Globales

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El montaje hace la diferencia

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Fase

Fase es la manera de determinar el movimiento relativo entre dos o más partes de la máquina.

Lecturas de fase solo tienen relación cuando se comparan con otras lecturas de fase y una referencia común

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Fase (continuación)

• Utilizado como una herramienta de análisis para encontrar problemas que ocurren al rededor de 1xRPM– Desbalance, Ejes doblados, Desalineamiento, Solturas,

Resonancia, Excentricidad• Medido con lámpara estroboscopica o disparador digital• Esencial para balanceo• Estudios de distorsión

– Muestra la distorsión en una máquina

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Fase Relativa

• Lecturas comparativas de fase muestran como la máquina esta vibrando

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Fase obtenida digitalmente

• El tacómetro láser es apuntado al eje rotatorio el que debe tener una cinta reflectante

• La cinta interrumpe el láser creando una señal que es enviada al analizador y comparada contra una posición arbitraria en la onda en el tiempo

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Lectura de la fase digital (Fotocelda o Tacómetro Láser)

• La lectura de fase obtenida digitalmente es generalmente más precisa que la obtenida con una lámpara estroboscopica

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Que es una FFT?

• También conocida como Espectro en el dominio de la frecuencia

• Grafico de la vibración Amplitud vs. Frecuencia• Todas las frecuencias en un rango elegido están separadas

y mostradas como picos individuales, cada uno teniendo su propia amplitud

• La herramienta de análisis más utilizada

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Que es un espectro?