ALINEACIÓN Y BALANCEO DE MAQUINAS

ALINEACIÓN Y BALANCEO DE MAQUINAS

ALINEACIÓN Y BALANCEO DE MAQUINAS INTRODUCCIÓN.

Como definición de Alineamiento de Maquinaria podemos mencionar lo siguiente: los ejes de rotación de las máquinas se deben encontrar colineales (un eje de rotación es l a proyección del otro), y lo anterior se considera bajo condiciones de operación o de trabajo normales (entiéndase, temperatura, carga y velocidad). Debido al impacto que tiene el "alineamiento" correcto correcto entre flechas o más comúnmente hablamos del "desalineamiento", en la vida útil, consumo de energía, consumo de refacciones y afectación a la operación de las plantas, harem las siguientes consideraciones consideraciones al respecto.

La carencia de procedimientos actualizados y modernos para el correcto alineamiento de la maquinaria rotativa, y que estos, no se encuentren considerados en los programas de mantenimiento preventivo periódico, es el común denominador de las plantas industriales. i ndustriales. El presente trabajo, tiene como finalidad revisar los principales beneficios beneficios económicos obtenidos, a través del correcto alineamiento de la maquinaria rotativa, tales como: la disminución de consumo de energía, disminución de consumo de refacciones pa ra mantenimiento preventivo, reducción de tiempos muertos, así como la optimización en costos de mano de obra.

LA DETECCIÓN DEL PROBLEMA Y LAS DIFICULTADES PARA SU CORRECCIÓN.

En diversos estudios realizados por usuarios y fabricantes de maquinaria rotativa acoplada por flechas, se ha demostrado que, el des alineamiento es la principal causa, de por lo menos el 50% de las fallas en maquinaria rotativa (fig. l). El des alineamiento no es fácil de detectar en la maquinaria que está en operación. Las fuerzas radiales transmitidas de una flecha a la otra son difíciles de medir externamente. No existe instrumentación que pueda ser utilizada para medir directamente la magnitud de las fuerzas aplicadas a los rodamientos, flechas, sellos y copies. Generalmente, lo que observamos son algunas alg unas consecuencias que se relacionan desalineamiento de las flechas, y que resultan en algunos efectos que observamos a través de:

* Disminución de vida útil de rodamientos, sellos, flechas y copies.

* Incremento de temperatura de carcasa * Incremento de la vibración axial y radial en la máquina. * Fugas de aceite, grasa y otros fluidos en los sellos * Ruptura de apoyos de las máquinas * Daño en cimentaciones y bases * Daño o aflojamiento de tornillos de fijación * Deformación de carcasas * Incremento en el consumo de energía eléctrica

Sin embargo, a pesar de conocerse que el desalineamiento es la mayor causa de la falla en la maquinaria, y por consiguiente grandes pérdidas de producción, tiempos muertos, entre otros problemas, en la actualidad se hace muy poco para resolver r esolver este problema. Como mencionamos, el grado de desalineamiento ha sido difícil de determinar en operación, así como los procedimientos correctivos son inadecuados, inadecuados, complicados y por lo general consumen mucho tiempo. En la actualidad, se utiliza el análisis de vibraciones para detectar el desalineamiento con la máquina en operación, aunque como se mencionó, los valores m edidos no son directamente proporcionales a las fuerzas a las que los rodamientos se encuentran sometidos. Por otra parte, para la corrección del alineamiento, los métodos antiguos y más utilizados han sido tradicionalmente la regleta o los indicadores de carátula.

En la actualidad, los sistemas con laser óptico ha demostrado ser un método más fácil, rápido y más preciso. Referente a la detección del desalineamiento, el análisis de vibraciones espectral (FFT) ofrece un diagnóstico detallado de la maquinaria rotativa, pero, no es posible detectar rápidamente y fácilmente, así como evaluar la severidad del problema sin adquirir una gran cantidad de mediciones en cada máquina. Requiere generalmente de personal calificado y algunos instrumentos no son fáciles de operar. Los valores 1 x y 2x de la frecuencia rotacional no son directamente proporcionales proporcionales a los desplazamientos (offset) en el coplee, y por el contrario, en realidad, nos indican la capacidad del sistema de acomodarse al desalineamiento.

La velocidad, el torque y la condición del copie también afectan los niveles de la señal de vibración. Entonces, Entonces, el uso del análisis de vibraciones para detectar y cuantificar el grado de desalineamiento es cuestionable cuestionable y muy costoso. Esta es una de las razones por las l as que muchos

departamentos de mantenimiento han desechado la idea de introducir programas basados en análisis de vibraciones.

Espectro típico de vibraciones que muestra desalineamiento. Otro inconveniente para la corrección del alineamiento de una manera sistemática, es que la determinación precisa y regular del desalineamiento de flechas usando indicadores de carátula requiere un grupo de técnicos de mantenimiento bien motivados y experimentados. Sin embargo, el mayor obstáculo para implementar un programa de correcciones basado en mediciones con indicador de carátulas es, que no existe un método rápido y fácil o para realizar los ajustes en la máquina con indicadores de carátula.

Los sistemas de montaje o fijación de los indicadores, generalmente son de fabricación costosa y muchos casos, son específicos para cada tipo de máquina. Además, los métodos de medición utilizados comúnmente; el de las mediciones inversas, medición en cara/borde, caralcara y los posteriores cálculos requeridos para determinar las posiciones de las máquinas son complicados. Estos tres puntos anteriores hacen que las mediciones con indicadores de carátula sean muy susceptibles a errores.

Cuando los indicadores de carátula son usados apropiadamente, pueden producir excelentes resultados, con una precisión de alineamiento en los coples de hasta 1/100 m m. Desafortunadamente, esos casos son raros, debido a la falta de conocimiento acerca de las limitaciones de estas técnicas. En muchas plantas no se realiza ninguna medición periódica del desalineamiento. Simplemente se utiliza una regleta para determinar el offset de una máquina respecto a la otra, en el copie. Debido a que la resolución del ojo humano está limitada a 1 /10 mm, este método completamente insuficiente para lograr un correcto alineamiento.

PROBLEMAS DE LOS INDICADORES DE CARÁTULA.

Un estudio realizado en Escandinavia, donde se uso una muestra de 160 máquinas de una planta industrial, arrojo como resultado que menos de 7% de los trenes de máquinas se encontraban dentro de las tolerancias proporcionadas por el fabricante de la maquinaria. Esto es una prueba más de que los métodos tradicionales para detectar y corregir el desalineamiento usados (si es el caso), son totalmente inadecuados. Con el arribo de los sistemas de alineamiento con rayo laser óptico en los años ochenta, se ha brindado la oportunidad a los técnicos de mantenimiento, de alinear los coples más rápido, más fácilmente y con mayor precisión. De acuerdo al progreso de

esta tecnología, la capacidad para hacer frente al problema operativo del desalineamiento se ha incrementado dramáticamente. Como resultado directo de aplicar esta tecnología, algunos aspectos importantes emergido o surgido respecto a la maquinaria rotativa; la eficiencia energética de la maquinaria, la confiabilidad de operación y vida de operación total o vida útil.

FACTORES QUE AFECTAN EL CORRECTO ALINEAMIENTO.

Es conveniente que mencionemos algunos de los factores relacionados con montaje y movimiento de la máquina, que afectan directamente los resultados finales del trabajo de al ineamiento, tanto en tiempo, como en calidad:

* Pie cojo. También llamado en inglés, soft foot. Se presenta cuando alguno de los apoyos de la máquina no se encuentra en el mismo plano de los otros. Se puede deber a defectos de la cimentación, de la base, deformaciones térmicas, mal acabado o maquinado. El pie cojo, es entonces, un problema de montaje de la máquina y si no es verificado y corregido antes de realizar el trabajo de alineamiento, afecta a los resultados finales, prolongando el tiempo de alineamiento, si no es que lo hace imposible.

DIVERSOS TIPOS DE "PIE COJO"

Crecimiento térmico. Se debe a los cambios de temperatura de las máquinas al alcanzar sus condiciones de operación permanentes. Si no se conocen los valores de cambio dimensional en los planos "vertical" y "horizontal*", para cada uno de los apoyos del tren de máquinas, el resultado final del trabajo de alineamiento será pobre, ya que la s máquinas al ser alineadas en "frío" y su operación en "caliente" será distinta. Sus hechas o ejes de rotación no serán co-lineales.

Cambios dimensionales en los planos horizontal y vertical debidos al crecimiento térmico.

Falta de herramientas adecuadas para el movimiento de las máquinas. La colocación de tornillos de movimiento en cada apoyo de la máquina, así como utilización de lainas pre-cortadas y calibradas, fabricadas con materiales estables a compresión.

REDUCCIÓN DE PÉRDIDA DE ENERGÍA.

Haciendo referencia a un estudio realizado por la empresa ICI C hemicals en Inglaterra, donde se ha logró establecer la relación directa entre el alineamiento de coplee/flecha y su consumo de energía. Como ejemplo, en el estudio de una bomba de 3600 rpm, se introdujeron valores conocidos de desalineamiento horizontal angular y desplazamiento (también llamado offset) y simultáneamente, se midió el consumo de corriente eléctrica para cada condición de desalineamiento definida para la prueba. Durante el estudio fueron usados diversos tipos de copies flexibles de tipo "llanta", y copies con pernos o tomill os de fijación entre "mamelones". Se detectaron considerables incrementos de consumo de energía en relación a pequeños cambios en el desalineamiento en el coplee (offset y angularidad).

LOS RESULTADOS FINALES DEL ESTUDIO INDICARON LO SIGUIENTE: Se pueden alcanzar grandes ahorros en el consumo de energía eléctrica a través de un correcto alineamiento.

1. El desalineamiento por desplazamiento entre flechas (offset o algunos incorrectamente lo conocen como paralelo) impacta más en el consumo de energía que el desalineamiento angular. 2. El desalineamiento angular afecta más a los copies con pernos de fijación entre "mamelones" que a los flexibles tipo "llanta"

3. Los efectos de los componentes del desalineamiento, el desplazamiento (offset) y hueco al borde de las caras del copie (también llamado gap) en vertical y horizontal) son adicionados entre sí, así como el consumo total de energía.

4. El estudio recomienda que las máquinas deban ser alineadas con un offset máximo de 12/100 mm y máxima angularidad de 5/100 mm por 100mm para limitar las pérdidas de energía a menos de 1 %.

Este experimento realizado en ICI, coincide con estudios teóricos en relación al consumo de potencial y permite hacer ciertas estimaciones de los ahorros de energía al canzables a través de contar y aplicar un buen programa de corrección de desalineamiento. En esta planta ICI, fabricante a gran escala de químicos, el consumo total anual de energía es de aproximadamente 80 MW y el

alineamiento afecta en aproximadamente 50 MW. Mejorando el alineamiento en algunas centésimas de milímetro, lo que es fácilmente alcanzable con los modernos sistemas de alineamiento con rayo laser, se pueden obtener ahorros de energía de hasta un 0.7%. En términos financieros, esto significa (suponiendo que el costo de la energía es de $ 0.08 USD por kWh promedio):

Pérdida total de energía = 50,000 kW x 0.7% = 350 kW Costo de energía perdida = 350 Kw x $ .08/kWh = $ 28.00 U SD. por hr Ahorros anualizados = $ 28.00 x 24 x 365 = $ 245,280.00 USD

Este cálculo, desde luego, depende de los costos actualizados según las tari fas aplicadas por sector de la energía eléctrica, las horas de operación de la planta, diseño de la maquinaria y equipos y la precisión del alineamiento.

LOS AHORROS POTENCIALES PUEDEN SER ILUSTRADOS CON EJEMPLO:

Tamaño de la planta: 50MW Número de máquinas: 2,000 (generalmente motor-bomba, motor ventilador, con potencias entre 15 HP y 75 HP) Costo de reparación: $ 2,000.00 promedio por reparación de máquina (incluye el costo de mano de obra, refacciones, o el reemplazo de la máquina.

Tiempo actual MTBF: 9 meses promedio MTBF deseado: 12 meses Costos actuales: = 2,000 x $ 2,000 x 12/9 = $ 5.3 millones Costos proyectados: = 2,000 x $ 2,000 x 12/12 = $ 4.0 millones Ahorros proyectados: = $ 1,300,000 USD por año

Podemos decir que, para alcanzar tales ahorros, se debe comenzar o incluir un programa estructurado de alineamiento de maquinaria, como parte de los procedimientos de producción y mantenimiento.

AFECTACIÓN A LA ESPERANZA DE VIDA DE LOS RODAMIENTOS

Como se podrá ver, según la formula planteada por Ludberg y Palmgren en los años 40's para el cálculo del probable desgaste y fatiga rodamientos: L10=167001rpni x /(capacidad dinámica x carga) Ifuerzal3 = horas de vida

* Para rodamientos de bolas: L10 = (C/P)3 x 106

* Para rodamientos de rodillos: L10 = (C/P) 10/3 x 106

Donde:

L 10 representa el "rating" de fatiga con una confiabilidad del 90% C es la carga dinámica rating. La carga que dará una vida de 1 millón de revoluciones. Valor que es proporcionado por los catálogos de fabricantes de rodamientos. P es la carga dinámica equivalente aplicada al rodamiento

La formula nos indica que, de acuerdo al incremento de la fuerza aplicada al rodamiento, la expectativa o esperanza de vida del rodamiento se reduce al cubo de este cambio.

Como ejemplo, si la fuerza resultante por un desalineamiento se incrementa por un factor de tres, la esperanza de vida se reduce 27 veces. De este ejemplo, se concluye el impacto tan drástico que tiene el desalineamiento en la vida útil de los rodamientos.

Ejemplo de un caso exitoso: el Caso John Deere, planta Torreón:

Se cuenta con 9 estaciones de prueba de torque de los motores diesel de fabricación en la planta de Torreón, Coahuila.

* Total de Máquinas: 9 * Frecuencia de alineamiento antes del implementar un programa de alineamiento: 1 cambio de rodamientos y alineamiento cada 2 meses * Costo aproximado de cada reparación: 2,000 USD (sin considerar pérdidas por el tiempo muerto ocasionado por la reparación) * Frecuencia extendida de alineamiento después de implementar el programa de alineamiento: 9 meses. * Costo de cada reparación: 2,000 USD.

Cálculo de Costos anualizados en el área de probadoras de torque an tes de la implantación del programa de verificación sistematizada de alineamiento: 9 máquinas x 12/2 meses x 2,000.00 USD = $ 108,000 USD

* Costos anualizados actuales después de implementado el programa de alineamiento: 9 máquinas x 12/9 meses x 2,000.00 USD = 24,000 USD Ahorros alcanzados en el primer año: $ 108,000 - 24,000 USD = $ 84,000 USD

* Costo de la inversión en capacitación, compra de equipo de laser óptico: aprox. $ 20,000.00 USD

* Retorno de Inversión (ROI) para el primer año:

* Retorno de inversión (R01): $ Ahorros  $ Inversión $ Inversión = ($108,000  $20,000)/ $ 20,000 = 4.4 veces

* ROI para el segundo año y subsecuentes, suponiendo un costo de reentrenamiento y compra de accesorios, consumibles, cte. de $ 4,000 USD.

* ROL ($108,000  $4,000) / 4,000 = 30.3 veces.

* Cálculo del Tiempo de Recuperación de la Inversión (Payback) para el primer año: Payback = $ Inversión / $ Ahorros x 12 = ($ 20,000 $ 108,000) x 12 = 2.2 meses

LOS SISTEMAS DE ALINEAMIENTO CON RAYO LASER OPTICO

De manera similar a los indicadores de carátula montados radialmente que permiten determinar el desalineamiento a través de la medición de las diferencias en el offset de las flechas en determinada distancia de separación, los sistemas de laser óptico miden el desplazamiento radial en relación a una distancia axial conocida. Usando brackets de fijación multipropósito, un emisor laser de baja potencia es fijado a una de las flechas y la unidad receptora es montada en la otra flecha (fig. 7). Ambas flechas podrán estar acopladas o desacopladas. El haz de l aser brillante y visible viaja a lo largo de las flechas, pasando cerca del coplee y llegando al receptor, donde es recibido o detectado por múltiples detectores linealizados.

Aquí es donde el proceso de medición comienza; según se giran las flechas de forma continua o en varias posiciones, cualquier desalineamiento causa que el haz del rayo laser, cambie su posición, respecto al punto de incidencia dentro del sistema detector.

La computadora utiliza la medición del desplazamiento de este haz de l uz, en relación a la distancia entre el centro del coplee al receptor para calcular la condición del alineamiento, que podrá ser expresada en cualquier posición (p.c. en el coplee o en alguno de los apoyos de la máquina). El mismo principio es aplicado para seguir los movimientos "en vivo" en la pantalla de la computadora durante el proceso de corrección (p.c. durante el proceso de calzado y ajustes horizontales).

LAS VENTAJAS DEL AHORRO DE TIEMPO.

Un arreglo detector pentaxial (5 ejes de medición; angularidad y offset vertical, angularidad y offset horizontal, además de la posición angular de los sensores) ofrece una serie de ventajas prácticas para el usuario; también hace posible seleccionar diferentes métodos de medición según la situación. Por ejemplo, para máquinas desacopladas, estas podrán ser fácilmente medidas y sin pérdida de precisión gracias a la función correspondiente que elimina los efectos del juego torsional.

Las flechas pueden ser normalmente alineadas con una rotación mínima de 75% sig uiendo los registros continuos indicados en la computadora, a la par del giro de las flechas en cualquier dirección y comenzando desde cualquier posición angular. | ¿Qué es una vibración?

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| 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. Vibración simple La base principal de las señales de vibración en el dominio del tiempo son las ondas sinusoidales. Estas son las más simples y son la representación de las oscilaciones puras. Una oscilación pura puede representarse físicamente con el siguiente experimento: imagínese una masa suspendida de un muelle como el de la Figura 7. Si esta masa es soltada desde una distancia A, en condiciones ideales, se efectuará un movimiento armónico simple que tendrá una amplitud A. Ahora a la masa vibrante le añadimos un lápiz, y una hoja de papel en su parte posterior, de manera que pueda marcar su posición. Si desplazamos el papel con velocidad constante hacia el lado izquierdo se dibujará una onda como la representada en la Figura 8. A continuación se describen los parámetros que definen este tipo de vibración. | | | Figura 7: Masa suspendida en un muelle. | |

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Figura 8: Movimiento armónico simple.

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| FrecuenciaEl tiempo que tarda la masa en ir y volver al punto A siempre es constante. Este tiempo recibe el nombre de período de oscilación (medido generalmente en segundos o milisegundos) y significa que el muelle completó un ciclo. El recíproco del período es la frecuencia (es decir F=1/P) la cual generalmente es dada en Hz (ciclos por segundo) o CPM (ciclos por minuto). | AmplitudLa amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es cuanta cantidad de movimiento puede tener una masa desde una posición neutral (marcada como 0 en la Figura 7). Es la intensidad de la vibración, y es indicativa de la severidad de la misma. | Existen diversas formas de medir la amplitud de una onda como se puede ver en la Figura 9. Podemos decir que el movimiento tiene una amplitud de pico (p) de A mm, ya que sabemos que como la curva es simétrica también existe un movimiento de amplitud -A mm en la dirección opuesta. También podemos decir que la curva tiene un valor de desplazamiento pico a pico (p-p) de 2A, correspondiente a A mm hacia arriba y A mm hacia abajo.

La tercera forma de describir la amplitud se denomina valor RMS (root-mean-square) y es un poco más compleja. Es la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda sinusoidal el valor RMS es igual a 0.707 del valor pico, pero esto es sólo válido en el caso de una onda sinusoidal. El valor RMS se utiliza para medir la energía de la forma de onda. | | | | Figura 9: Medidas de amplitud.| | FaseEs una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas sinusoidales. Aunque la fase es una diferencia de tiempo, siempre se mide en términos de ángulo, en grados o radianes. Eso es una normalización del tiempo que requiere un ciclo de la onda sin considerar su verdadero período de tiempo. | La diferencia en fase entre dos formas de onda se llama desfase o desplazamiento de fase. Un desplazamiento de fase de 360 grados es un re traso de un ciclo o un período completo de la onda, lo que realmente no es ningún desplazamiento. Un desplazamiento de 90 grados es un desplazamiento de ¼ del periodo de la onda, etc. El desplazamiento de fase puede ser considerado positivo o negativo; eso quiere decir que una forma de onda puede estar retrasada respecto a otra o puede estar adelantada respecto a otra. Esos fenómenos se llaman retraso de fase y avance de fase respectivamente.

En el ejemplo de la Figura 10, la curva A se encuentra desplazada 90 grados con respecto a la curva B. Eso es un retraso de tiempo de ¼ del período de la onda. También se podría decir que la curva A tiene un avance de 90 grados. | | | | Figura 10: Desfase entre dos senoides. | |

Vibración compuesta | | | Una vibración compuesta es la suma de varias vibraciones simples. La vibración de una máquina es una vibración compuesta de una serie de vibraciones simples asociadas a sus componentes internos en movimiento. Teniendo esto en cuenta, se deduce que la forma de onda de vibración de una máquina no es una señal sinusoidal sino que puede llegar a ser muy compleja. Como se puede ver en la Figura 11, dos señales de vibración de diferente frecuencia se suman formando una vibración compuesta. Incluso en casos tan sencillos como este, no resulta fácil obtener las frecuencias y amplitudes de las dos componentes a partir de la forma de onda resultante. La gran mayoría de las señales de vibración son mucho más com plejas que esta y pueden llegar a ser extremadamente difíciles de interpretar. | | | Figura 11: Suma de vibraciones simples en el dominio del tiempo.

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Otros tipos de vibraciones Además de las vibraciones simples, también existen otros tipos de vibraciones como son l a vibración aleatoria, los golpeteos intermitentes y la modulación.

La vibración aleatoria no cumple con patrones especiales que se repiten constantemente o es demasiado difícil detectar donde comienza un ciclo y donde termina. Estas vibraciones están asociadas generalmente a turbulencia en sopladores y bombas, a problemas de lubricación y

contacto metal-metal en elementos rodantes o a cavitación en bombas (ver Figura 12 ). Este tipo de patrones es mejor interpretarlos en el espectro y no en la onda en el tiempo. | Los golpeteos intermitentes están asociados a golpes continuos que crean una señal repetitiva. Estos se encuentran más comúnmente en engranajes, en el paso de las aspas de un impulsor o ventilador, etc. Este tipo de señales tiende a morir debido a la amortiguación del medio. En la Figura 13 se muestra claramente este fenómeno.

La modulación de amplitud (AM) es la variación en amplitud de una señal, debido a la influencia de otra señal, generalmente, de frecuencia más baja. La frecuencia que se está modulando, se denomina frecuencia portadora. En el espectro mostrado en la Figura 14, la componente más importante es la portadora, y las otras componentes, que parecen armónicos, se llaman bandas laterales. Dichas bandas laterales se ubican simétricamente a cada lado de la portadora, y su distancia es igual a la frecuencia moduladora. La modulación de amplitud ocurre en espectros de vibración de máquinas, especialmente en cajas de engranajes, donde la frecuencia de engrane está modulada por las RPM del piñon o la corona como se verá más adelante. | | | | Figura 12: Vibración aleatoria. | | | | Figura 13: Golpeteos intermitentes. |

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| Figura 14: Modulación de amplitud. |

Transformada de Fourier

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Hasta ahora sólo hemos visto vibraciones en el dominio del tiempo, que son las señales capturadas directamente de la máquina. Como ya dijimos antes, en estas señales se encuentra plasmada toda la información acerca del comportamiento de cada componente de la máquina. Sin embargo, existe un problema a la hora de realizar un diagnóstico: estas señales están cargadas de mucha información en forma muy compleja, la cual comprende las señales características de cada componente de la máquina, por lo cual prácticamente resulta imposible distinguir a simple vista sus comportamientos característicos.

Existen otras formas para realizar un estudio de vibraciones, entre las cuales se encuentra analizar las señales en el dominio de la frecuencia. Para ello se emplea la gráfica de amplitud frente a frecuencia que es conocida con el nombre de espectro. Esta es la mejor herramienta que se tiene actualmente para el análisis de maquinaria.

Fue precisamente el matemático francés Jean Baptiste Fourier (1768 - 1830) quien encontró la forma de representar una señal compleja en el dominio del tiempo por medio de series de curvas sinusoidales con valores de amplitud y frecuencia específicos. Entonces lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la transformada rápida de Fourier es capturar una señal de una máquina, calcular todas las series de señales sinusoidales que contiene la señal compleja y por último mostrarlas de forma individual en una gráfica de espectro. | | | Figura 15: Procesado FFT de una onda vibratoria compleja. | En la Figura 15 de tres dimensiones puede verse claramente la señal de vibración compuesta, capturada desde una máquina. A dicha señal se le calculan todas las señales sinusoidales en el dominio del tiempo que la componen y por último se muestra cada una de ellas en el dominio de la frecuencia. Por tanto, empleando la transformada de Fourier, podemos retomar l a suma de vibraciones simples de la Figura 11 y representar exactamente la misma operación en el dominio de la frecuencia como se muestra en la Figura 16, con la particularidad de que en este caso resulta obvio obtener las frecuencias y amplitudes de las dos componentes originales a partir del espectro resultante. | | | Figura 16: Suma de vibraciones simples en el dominio de la frecuencia.

| Como ya se ha dicho, la gráfica en el dominio del tiempo se llama la forma de onda, y la gráfica en el dominio de la frecuencia se llama el espectro. El análisis del espectro es equivalente a transformar la información de la señal del dominio de tiempo en el dominio de la frecuencia.

Un ejemplo claro de la equivalencia en ambos dominios es un horario, podemos decir que sale un tren a las 6:00, 6:20, 6:40, 7:00, 7:20, o podemos decir que sale un tren cada 20 minutos comenzando a las 6:00 (representando este último dato la fase). Lo primero sería la representación en el tiempo y lo segundo la representación en frecuencia. La representación de la frecuencia supone una reducción de datos con respecto a la representación del tiempo. La información es exactamente la misma en ambos dominios, pero en el dominio de frecuencia es mucho más compacta. |

Magnitudes: desplazamiento, velocidad y aceleración Hasta ahora, solamente hemos considerado como medida de la am plitud de la vibración de un objeto el desplazamiento.

El desplazamiento es sencillamente la distancia al objeto desde una posición de referencia o punto de equilibrio. Aparte de un desplazamiento variable, un objeto vibrando presenta una velocidad variable y una aceleración variable. La velocidad se define como la proporción de cambio en el desplazamiento y se mide por lo general en in/s (pulgadas por segundo) o mm/s. La aceleración se define como la proporción de cambio en la velocidad y se mide en g (la aceleración promedio debida a la gravedad en la superficie de la tierra) o mm/s². | Como hemos visto, el desplazamiento de un cuerpo que está sometido a un movimiento armónico simple es una onda sinusoidal. También la velocidad y la aceleración del movimiento son ondas sinusoidales. Cuando el desplazamiento está en su máximo, la velocidad vale cero, porque esa es la posición en la que la dirección del movimiento se invierte. Cuando el desplazamiento vale cero (en el punto de equilibrio), la velocidad estará en su máximo. Esto quiere decir que la fase de la onda de velocidad se desplazará hacia la izquierda 90 grados, comparada con la forma de onda del desplazamiento. En otras palabras, la velocidad está adelantada 90 grados con respecto al desplazamiento. La aceleración es la proporción del cambio de velocidad. Cuando la velocidad está en su máximo, la aceleración vale cero ya que la velocidad no cambia en ese momento. Cuando la velocidad vale cero, la aceleración está en su máximo en ese momento dado que es cuando más rápido cambia la velocidad. La curva sinusoidal de la aceleración en función del tiempo se puede ver de esta manera como desplazada en fase hacia la izquierda respecto a la curva de velocidad y

por eso la aceleración tiene un avance de 90 grados respecto a la velocidad y de 180 grados respecto al desplazamiento. | | | Figura 17: Desfase entre magnitudes. | |

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| Figura 18: Magnitudes en frecuencia. | | Las unidades de amplitud seleccionadas para expresar cada medida tienen gran influencia en la claridad con la cual se manifiestan los fenómenos vibratorios. Así, según se puede ver en la Figura 18, el desplazamiento muestra sus mayores amplitudes en bajas frecuencias (típicamente por debajo de 10 Hz), la velocidad lo hace en un rango intermedio de frecuencias (entre 10 y 1.000 Hz), y la aceleración se manifiesta mejor a altas frecuencias (por encima de 1.000 Hz). | Para ilustrar estas relaciones, consideremos lo fácil que resulta mover la mano una distancia de un palmo a un ciclo por segundo o 1 Hz. Probablemente sería posible lograr un desplazamiento similar de la mano a 5 o a 6 Hz. Pero consideremos la velocidad con que se debería mover la mano para lograr el mismo desplazamiento de un palmo a 100 Hz o 1.000 Hz. Esta es la razón por la que nunca se ven niveles de frecuencia altos combinados con valores de desplazamiento altos. Las fuerzas enormes que serían necesarias sencillamente no se dan en la práctica.

En la Figura 19 se presenta un gráfico con el comportamiento de las distintas unidades de amplitud en todo el rango de frecuencias. Los tres espectros proporcionan la misma información, pero su énfasis ha cambiado. La curva de desplazamiento es más difícil de leer en las frecuencias más altas. La curva de velocidad es la más uniforme en todo el rango de frecuencias. Esto es el comportamiento típico para la mayoría de la maquinaria rotativa pero, sin embargo, en algunos casos las curvas de desplazamiento y aceleración serán las más uniformes. Es una buena idea seleccionar las unidades de tal manera que se obtenga la curva más plana. Eso proporciona la mayor cantidad de información visual al observador. El parámetro de vibración que se utiliza más comúnmente en trabajos de diagnóstico de maquinaria es la velocidad.| |

| Figura 19: Comportamiento espectral. | | | Por ultimo, ilustraremos lo dicho con el caso práctico de la Figura 20 donde se muestra un mismo espectro en unidades de desplazamiento y aceleración. Ambas gráficas corresponden a un deterioro de un rodamiento. En el espectro en desplazamiento no se observa el problema, mientras que en el espectro en aceleración se observa claramente. | | | Figura 20: Deterioro de un rodamiento.

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Análisis espectral Cuando se mide la vibración de una máquina, se genera una información muy valiosa que es necesario analizar. El éxito de dicho análisis depende de la correcta interpretación que se le de a los espectros capturados con respecto a las condiciones de operación en que se encuentra la máquina. Los pasos típicos en el análisis de vibración son: | * Identificación de los picos de vibración en el espectro: lo primero es identificar el pico de primer orden (1x), correspondiente a la velocidad de rotación del eje. En m áquinas con múltiples ejes, cada eje tendrá su frecuencia de rotación característica 1x. En muchas ocasiones, los picos 1x del eje van acompañados de una serie de armónicos o múltiplos enteros de 1x. Existen armónicos de especial interés, por ejemplo, si se trata de una bomba de seis álabes, normalmente, habrá un pico fuerte espectral en 6x. | * Diagnóstico de la máquina: determinación de la gravedad de problemas de máquina basándose en las amplitudes y la relación entre los picos de vibración. | * Recomendaciones apropiadas para las reparaciones, basadas en la gravedad de los problemas de máquinas. | Consideremos a modo de ejemplo el sistema de la Figura 21. A partir de los datos de la misma podemos calcular las principales frecuencias interés: | | | | Figura 21: Ejemplo de un sistema mecánico.

| | F. motor = 1.800 rpm = 30 Hz

F. bomba = (100 / 300) dientes * 1.800 rpm = 600 rpm = 10 Hz

F. engrane = 100 dientes * 1.800 rpm = 300 dientes * 600 rpm = 1,800.000 rpm = 3.000 Hz

F. paso de álabe = 8 álabes * 600 rpm = 4.800 rpm = 80 Hz

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| En esta máquina tenemos dos ejes (motor y bomba). En el caso del motor, el valor 1x es 30 Hz, además probablemente encontremos un pico de frecuencia en el espectro en el armónico 100x, que se corresponde con la frecuencia de engrane entre piñon y corona. Para la bomba, el valor 1x es 10 Hz, y su principal armónico de interés es 8x, que se corresponde con la frecuencia de paso de álabe. Obviamente, pueden aparecer otras frecuencias, como por ejemplo, bandas laterales en la frecuencia de engrane, frecuencias de cojinetes, y armónicos de las frecuencias calculadas. | En el espectro de vibración de la Figura 22 aparece representada la firma de vibración de nuestro sistema mecánico de ejemplo. Una vez que hemos identificado las frecuencias de interés, la siguiente cuestión es si el valor de su amplitud es aceptable o inaceptable. Un valor de vibración aceptable es aquel que no causa una reducción en la vida de la máquina ni causa daños en los equipos cercanos. Algunas máquinas están diseñadas para tolerar niveles de vibración extremadamente altos (por ejemplo, molinos) y otros equipos son muy sensibles i ncluso al más leve nivel de vibración (por ejemplo, sistemas ópticos).

Existen cuatro formas de determinar cual es el nivel de vibración adecuado para una máquina dada. La mejor forma es mantener un registro de datos a lo largo del tiempo de los puntos críticos de la máquina, a partir de estos datos se establecerán criterios de referencia de los niveles aceptables. Si existen varias máquinas idénticas en la planta se puede utilizar un segundo método.

Si tres máquinas muestran un espectro similar y la cuarta máquina muestra niveles mucho más altos trabajando en las mismas condiciones, es fácil suponer que máquina está teniendo problemas. Otro método es recopilar datos de vibración y enviarlos al fabricante para que los evalúe. Hay que tener en | | | | Figura 22: Espectro de vibración.

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| | cuenta que la vibración varía en función de las condiciones de trabajo y del montaje de la máquina. El cuarto método es elegir un estándar en base a la experiencia de otros y si es necesario adaptarlo en base a nuestra experiencia. |

Métodos de alineación tradicionales Métodos de alineación con reglas y galgas Los métodos con reglas y galgas dependen de la resolución limitada del ojo humano y de la superficie del acoplamiento. La resolución alcanzada de 0,1 mm (0.004") es insuficiente para la mayoría de las máquinas. Relojes indicadores A pesar de que los relojes indicadores alcanzan una resolución de 0,01 mm (0.0004"), los cálculos son en la mayoría de casos complicados y requieren personal con gran experiencia.

Factores que influyen en la exactitud de los relojes indicadores

Flexión del soporte de los relojes La flexión de las barras que soportan los relojes tiene que ser siempre determinada antes de la medición, independientemente de que tan sólidas parezcan.

Resolución baja

Un error de hasta 0,005 mm puede originarse al redondear los datos en cada lectura. Este error podría alcanzar los 0,04 mm para la medición completa.

Fricción interna/ histéresis Algunas veces se tiene que golpear ligeramente el reloj para que la aguja señale la posición final.

Juego en las conexiones mecánicas Bajos valores pueden ser pasados por alto, lo que conlleva a errores considerables de medición.

Errores de lectura Pueden ocurrir con facilidad cuando el tiempo de medición es crítico y las condiciones de medición son malas.

Relojes indicadores mal montados Si el reloj no está montado en posición perpendicular a la superficie de medición el valor de medición será mayor.

Juego de ejes axial Los valores de angularidad en la brida pueden ser falseados a menos que se use dos relojes montados axialmente. Desarrollo de la Tecnología sobre Balanceo

La primera patente de una máquina balanceadora fue en el año de 1870, fabricada por Henry Martinson en Canadá. Esta máquina consistía de un cilindro acoplado a un eje cardán, cuyo cilindro a balancear giraba sobre dos rodamientos suspendidos en resortes. El balanceo consistía en colocar contrapesos en un solo plano, hasta que la amplitud de oscilación de los resortes se reducía en forma considerable. Esta máquina nace con la necesidad de eliminar vibraciones en cuerpos y partes g iratorias, es por esto que a principios de siglo se desarrollan nuevas técnicas de balanceo y es hasta 1907, cuando aparece la primera patente de una máquina balanceadora en dos planos, diseñada por Lawaczek, la cual es modificada y construída por C. Schenck para aplicaciones industriales. La importancia del balanceo dinámico se incrementa a medida que se desarrollan nuevos equipos, donde los componentes giratorio son parte escencial del funcionamiento tales como : turbinas, generadores, motores eléctricos, motores de combustión interna, bombas centrífugas, compresores, etc. En la actualidad la tecnología sobre balanceo cuenta con sistemas electrónicos de medición, que proveen de gran sensibilidad en la captación de vibraciones y localización de planos de compensación. Todo esto aunado a estándares y calidades de balanceo basadas en normas internacionales, según los diferentes tipos de cuerpos giratorios y el trabajo que estos realizan.

Efectos del no-balanceo * Vibraciones periódicas del equipo * Daños en rodamientos, bujes, chumaceras, etc. * Vibraciones transmitidas a otros equipos. * Fatiga en soldaduras, uniones, etc. * Daño a sistemas eléctricos y electrónicos * Rozamiento de rotores en cuerpos de alojamiento * Calentamiento * Ruido * Daños a cimentación de maquinaria o equipo * Perdida de precisión en maquinado de partes