Análisis Espectral de Vibraciones (Dspace.ups.Edu.ec)

CAPITULO IV

ANALISIS ESPECTRAL DE VIBRACIONES 4.1

INTRODUCCIÓN.

Hoy en día es importante considerar en las grandes y medianas industrias la implementación de una estrategia de mantenimiento predictivo-proactivo para aumentar la vida útil de la maquinaria, de esta forma asegurando su disponibilidad y la productividad de la Planta.

Las herramientas de software (LabVIEW) encaminadas al análisis de vibración así como el análisis de orden y el análisis espectral de la corriente, en complemento proponen

llegar a un diagnostico correcto del estado de máquinas rotatorias,

convirtiéndose éste método traductor que permitiría entender “el lenguaje” de las máquinas rotatorias en general, con el fin de detectar oportunamente estados de falla incipientes, el buen uso de esta herramienta garantiza una valiosa contribución para las áreas de producción, operaciones, gestión de repuestos, seguridad industrial y planificación del mantenimiento.

Figura 4.1, Análisis espectral de vibración Fuente: Brûel & Kajaer, Order Tracking Analysis, TECHNICAL REVIEW N° 2 1995, p1

1

El presente trabajo esta dirigido ha realizar pruebas en un motor eléctrico de inducción jaula de ardilla de 1 HP de potencia, con diversos enlaces de potencia mecánica (que se especificaran posteriormente), con el fin de demostrar la versatilidad de este método de monitoreo.

Figura 4.2. Métodos de enlazar potencia mecánica Fuente: Los autores

La vibración posee características que hacen posible el diagnóstico de distintas fallas a través de su medición, registro y análisis, para ello hemos considerado la actitud de que toda maquinaria vibra implícitamente como parte de su operación normal, por lo que una de las tareas del analista es identificar aquellas que deben ser corregidas y determinar un nivel de vibraciones tolerable, e identificar los niveles anormales de amplitud de vibración que son consecuencia de la presencia o avance de alguna falla. La gran mayoría de las fallas mecánicas generan señales de vibración con patrones característicos.

La prevención de posibles fallas en maquinarias es necesaria para una operación confiable y segura de una Instalación. El riesgo de fallas y el tiempo en que una maquinaria queda fuera de servicio pueden disminuirse, sólo si los problemas potenciales son anticipados y evitados.

En general, las vibraciones en una máquina no son buenas: pueden causar desgaste, fisuras por fatiga, pérdida de efectividad de sellos, rotura de aislantes, ruido, etc. Pero al mismo tiempo las vibraciones son la mejor indicación de la condición mecánica de una maquinaria y pueden ser una herramienta de predicción muy sensible de la evolución de un defecto. Las fallas catastróficas en una maquinaria 2

muchas veces son precedidas, a veces con meses de anticipación, por un cambio en las condiciones de vibración de la misma.

Las vibraciones en una maquinaria están directamente relacionadas con su vida útil de dos maneras: por un lado un bajo nivel de vibraciones es una indicación de que la máquina funcionará correctamente durante un largo período de tiempo, mientras que un aumento en el nivel de vibraciones es una indicación de que la máquina se encamina hacia algún tipo de falla, ya que

cerca del

90% de las fallas en

maquinarias están precedidas por un cambio en la característica de vibración.

Figura 4.3, Proceso del mantenimiento preventivo Fuente: Sonotest, Tecnologías Predictivas, www.sonotest.com

El período de mal funcionamiento esta dado por el empeoramiento a medida que pasa tiempo, hasta llegar a la condición de falla, estado al que no se debería llegar para realizar mantenimiento, en la figura 4.4 el avance y la caída de la curva indica mayor gasto al aplicar mantenimiento.

Figura 4.4, Avance de la severidad de la falla en relación al costo de reparación Fuente: Sonotest, Tecnologías Predicativas, www.sonotest.com

3

4.2

VIBRACIÓN.

La vibración es un movimiento, trepidatorio o de vaivén desde una posición de equilibrio hasta otra posición máxima. La vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio, que permite a un cuerpo (elemento o partícula) recuperar respectivamente su posición original, Si el movimiento se repite con todas sus características con valores de magnitud razonablemente semejantes en un cierto intervalo de tiempo, se puede decir que la vibración es periódica.

Oscilación es la variación, normalmente en función del tiempo, de la magnitud de una cantidad respecto a una referencia especificada, cuando la magnitud es alternativamente mayor y menor que la referencia El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una combinación de movimientos individuales de 6 tipos diferentes. Esos son traslaciones en las tres direcciones ortogonales x, y, y z, y rotaciones alrededor de los ejes x, y, y z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se puede descomponer en una combinación de esos seis movimientos. De manera que se dice que posee seis grados de libertad. Existen dos tipos generales de vibración:

Ø Vibraciones libres Ø Vibraciones forzadas

4.2.1 LA VIBRACIÓN LIBRE. Ocurre cuado un sistema oscila bajo la acción de fuerzas inherentes al mismo sistema, es decir no existe ninguna fuerza aplicada o estas son nulas.

4.2.2 LA VIBRACIÓN FORZADA. Es la que ocurre cuando existe excitación de fuerzas externas al sistema, como ejemplo podría citarse al caso de una fuerza ejercida por la fuerza centrifuga de una masa no compensada de un elemento rotatorio (desbalance mecánico)

4

4.3

MOVIMIENTO.

4.3.1

MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE.

El movimiento más sencillo que pueda existir es el movimiento en una dirección, de una masa controlada por un resorte único. Este sistema mecánico se llama sistema resorte-masa, con un grado único de libertad. Si se desplaza la masa, hasta una cierta distancia del punto de equilibrio, y después se suelta, el resorte la regresará al equilibrio. Para entonces, la masa tendrá algo de energía cinética y rebasará la posición de descanso y desviará el resorte en la dirección opuesta. Perderá velocidad hasta pararse en el otro extremo de su desplazamiento donde el resorte volverá a empezar el regreso hacia su punto de equilibrio. El mismo proceso se volverá a repetir con la energía transfiriéndose entre la masa y el resorte, desde energía cinética en la masa hasta energía potencial en el resorte.

Figura 4.5, movimiento armónico simple Fuente: Los autores

Este procedimiento se desarrolla en el tiempo, asignándose como periodo el tiempo necesario para un ciclo, o para un viaje ida y vuelta, o de un cruce del nivel cero hasta el siguiente cruce del nivel cero en la misma dirección. El periodo se mide en segundos o milisegundos dependiendo de que tan rápido se cambie la onda, el cual esta inversamente relacionado con la frecuencia que es el número de eventos o ciclos que se pueden cumplir en una unidad de tiempo (segundo) cuya unidad es el Hertz Hz. f

1 T

4.1

5

Figura 4.6.Parámetros del movimiento oscilatorio Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005

En la figura 4.6 podemos reconocer los distintos parámetros como es la amplitud pico pico, la amplitud pico, valor RMS, fase y el periodo 4.3.2 ECUACIONES DE MOVIMIENTO. Si se anota la posición o el desplazamiento de un objeto que está sometido a un movimiento armónico sencillo contra el tiempo en una gráfica, el resultado será una onda senoidal o seno como el indicado en la figura 4.5 Un objeto en movimiento armónico simple denota tres magnitudes físicas:

Ø Desplazamiento Ø Velocidad Ø Aceleración.

4.3.2.1 DESPLAZAMIENTO. Es la distancia total que describe la parte que vibra desde un extremo a otro se denomina desplazamiento pico a pico, en una estructura el desplazamiento relaciona fuerzas elásticas o rigidez que ocasionan fallas por flexión.

D

Dmax sen t

6

4.2

Para conocer la severidad de vibración de una maquina utilizando el parámetro de desplazamiento, se deberá tener cuidado con las siguientes condiciones Tipo de tabla de severidad referida o tipo de máquina y cimentación Tipo de tabla de severidad referida al transductor (contacto, no contacto) Las lecturas deberán ser filtradas

4.3.2.2 VELOCIDAD. La velocidad es la taza de variación del desplazamiento y se encuentra desfasada 90º del desplazamiento, en un movimiento oscilatorio la velocidad en los extremos será cero ya que existe un cambio de dirección.

dD dt

V

Vmax cos t

4.3

Por lo general se utiliza la medición de velocidad para evaluar el estado general de las maquinas, se dice entonces que el medir la velocidad vibratoria es tomar medida directa de la severidad de vibración. Para establecer la severidad vibratoria existen diferentes normas de vibraciones (VDI 2056, ISO 2372 y BS 4675)

4.3.2.3 ACELERACIÓN. Es la razón de cambio de la velocidad, se encuentra desfasado 90º de la velocidad 180º del desplazamiento. Nos relaciona fuerzas donde el equipo tendera a fallar por flexión o pandeo. Las medicines de aceleración proporcionan indicadores excelentes de alta frecuencia pero inadecuada respuesta a problemas de baja frecuencia.

A

dV dt

dD 2 dt 2

2

Amax sen t

4.4

La conversión de aceleración a velocidad o de velocidad a desplazamiento es la integración matemática. Es posible llevar a cabo estas operaciones con instrumentos que miden la vibración y de esta manera convertir los datos de cualquier sistema de unidades a cualquier otro. Desde un punto de vista práctico la diferenciación es un procedimiento ruidoso en si, y muy raras veces se lleva a cabo. La integración, por otra parte se lleva a cabo con mucha precisión, con un circuito eléctrico muy barato. 7

Esa es una de las razones de que el acelerómetro de hecho es el transductor Standard para medición de vibraciones, ya que su señal de salida se puede integrar fácilmente una o dos veces para mostrar velocidad o desplazamiento.

a

v

d

A

A sin

cos

t

sin

t

A 2

t

A

sin

A 2

sin

4.5

t

2

t

4.6

4.7

Figura 4.7 Relación entre los parámetros de: aceleración, velocidad y desplazamiento de un mismo móvil Fuente: Los autores

La integración no es adecuada para señales con una frecuencia muy baja (Abajo de 1 Hz), ya que en esta área el nivel de ruido se va incrementando y la precisión del procedimiento de integración padece. Se puede ver en la figura 4.8 las consideraciones con los mismos datos de vibración representados como gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración tendrán apariencias diferentes. La curva de desplazamiento pondrá el acento en las frecuencias más bajas, y la curva de aceleración pondrá el acento en las frecuencias más altas. 93

Figura 4.8, datos de vibración comparados como desplazamiento, velocidad y aceleración Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005

4.3.3 VIBRACIÓN COMPLEJA Si hay varias frecuencias forzadas, que ocurren al mismo tiempo, entonces la vibración resultante será una suma de las vibraciones a cada frecuencia. Bajo esas condiciones la forma de la onda resultante no será senoidal, denominada vibración compleja, en el caso de una máquina rotativa comprenden cada uno de los componentes que se encuentran en la máquina, más todos los golpeteos y vibraciones aleatorias.

Figura 4.9, señal de oscilación de dos componentes

94

Fuente: Los autores

En una máquina típica rotativa, muchas veces es difícil el obtener más información acerca del funcionamiento interno de la máquina, solamente estudiando la forma de la onda de vibración, aunque en algunos casos el análisis de la forma de onda es una herramienta poderosa.

Figura 4.10 Muestra en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005

4.3.4 ESTRUCTURAS MECÁNICAS Cuando analizamos la vibración de una máquina, que es un sistema mecánico más o menos complejo es útil considerar las fuentes de la energía de vibración y las rutas en la máquina que sigue esta energía. La energía siempre se mueve o fluye de la fuente de la vibración hacia el punto de absorción, donde se transforma en calor. En algunos casos eso puede ser una ruta muy corta, pero en otras situaciones es posible que la energía viaje largas distancias antes de ser absorbida. El fenómeno

más efectivo de absorción de energía es la fricción, que puede ser

fricción deslizadora o fricción viscosa. La fricción deslizadora tiene su origen en el movimiento relativo de las partes de la máquina. Si una máquina tiene poca fricción, su nivel de vibración tiende a ser muy alto, ya que la energía de vibración se va incrementando debido a la falta de absorción. Por otra parte, una máquina con una fricción más considerable tendrá niveles de vibración más bajos, ya que su energía se absorbe más rápidamente. Por ejemplo, una máquina con rodamientos a elementos 95

rodantes (muchas veces se le llama rodamientos anti-fricción) vibra más que una máquina con chumaceras, donde la película de aceite absorba una cantidad importante de energía. La razón porque las estructuras de aviones son remachadas en lugar de soldadas en una unidad sólida, es que las juntas remachadas se mueven ligeramente y absorben la energía por medio de la fricción deslizadora. Eso impide que las vibraciones se incrementen hasta niveles destructivos, una estructura de este tipo se dice que está altamente amortiguada, donde el parámetro de amortiguamiento es la medida la capacidad de absorción de energía.

4.3.5 FRECUENCIA NATURAL De cualquier estructura física se puede hacer un modelo en forma de un número de resortes, masas y amortiguadores. Los amortiguadores absorben la energía pero los resortes y las masas no lo hacen. Como lo vimos en la sección anterior, un resorte y una masa interactúan uno con otro, de manera que forman un sistema que hace resonancia a su frecuencia natural característica. Si se le aplica energía a un sistema resorte-masa, el sistema vibrará a su frecuencia natural, y el nivel de las vibraciones dependerá de la fuerza de la fuente de energía y de la absorción inherente al sistema. . La frecuencia natural de un sistema resorte-masa no amortiguado es reunida por la siguiente ecuación:

Fn

1 2

k m

4.8

Donde: Fn = la frecuencia natural k = la constante del resorte, o rigidez m = la masa De eso se puede ver que si la rigidez aumenta, la frecuencia natural también aumentará, y si la masa aumenta, la frecuencia natural disminuye. Si el sistema tiene absorción, lo que tienen todos los sistemas físicos, su frecuencia natural es un poco más baja y depende de la cantidad de absorción.

96

Un gran número de sistemas resorte-masa-amortiguación que forman un sistema mecánico se llaman "grados de libertad", y la energía de vibración que se pone en la máquina, se distribuirá entre los grados de libertad en cantidades que dependerán de sus frecuencias naturales y de la amortiguación, así como de la frecuencia de la fuente de energía. Por esta razón, la vibración no se va a distribuir de manera uniforme en la máquina. Por ejemplo, en una máquina activada por un motor eléctrico una fuente mayor de energía de vibración es el desbalanceo residual del rotor del motor. Esto resultará en una vibración medible en los rodamientos del motor. Pero si la máquina tiene un grado de libertad con una frecuencia natural cerca de las RPM del rotor, su nivel de vibraciones puede ser muy alto, aunque puede estar ubicado a una gran distancia del motor. Es importante tener este hecho en mente, cuando se hace la evaluación de la vibración de una máquina. La ubicación del nivel de vibración máximo no puede estar cerca de la fuente de energía de vibración. La energía de vibración frecuentemente se mueve por largas distancias por tuberías, y puede ser destructiva, cuando encuentra una estructura remota con una frecuencia natural cerca de la frecuencia de su fuente. Si la frecuencia natural es excitada por un agente externo, la amplitud de vibración de la máquina se incrementará enormemente causando perjuicios que a corto o mediano plazo pueden llegar a ser catastróficos. Esto es lo que se conoce con el nombre de resonancia. Cuando una resonancia es detectada, es necesario identificar el agente externo que la está produciendo e inmediatamente debe aislarse estructuralmente o cambiar su velocidad de operación, el efecto de resonancia es causa del aumento abrupto de niveles de vibración en la máquina.

4.3.6 RESONANCIA La resonancia es un estado de operación en el que una frecuencia de excitación se encuentra cerca de una frecuencia natural de la estructura de la máquina. Una frecuencia natural es una frecuencia a la que una estructura vibrará si uno la desvía y después la suelta. Una estructura típica tendrá muchas frecuencias naturales. Cuando ocurre la resonancia, los niveles de vibración que resultan pueden ser muy altos y pueden causar daños muy rápidamente. Bajo ninguna circunstancia se debe opera una máquina a la frecuencia de resonancia

97

Para determinar si una maquina tiene resonancias prominentes se puede llevar a cabo una o varias pruebas con el fin de encontrarlas: La gráfica 4.11 es una curva de respuesta idealizada de resonancia mecánica. El comportamiento de un sistema resonante, cuando se le somete a una fuerza externa, es interesante y va un poco en contra la intuición. Depende mucho de la frecuencia de la fuerza de excitación. Si la frecuencia forzada es más baja que la frecuencia natural, en otras palabras a la izquierda del pico, entonces el sistema se comporta como un resorte y el desplazamiento está proporcional a la fuerza. El resorte de la combinación resorte-masa hace el sistema resonante y está dominante al determinar la respuesta del sistema. En esta área, controlada por el resorte, el sistema se comporta de acuerdo con nuestra intuición, reaccionando con un movimiento más amplio cuando se le aplica una fuerza más grande, y el movimiento está en fase con la fuerza. En el área arriba de la frecuencia natural, la situación es diferente. Aquí la masa es el elemento que controla. El sistema parece una masa a la que se le aplica una fuerza. Eso quiere decir que la aceleración es proporcional a la fuerza aplicada y el desplazamiento es relativamente constante con la frecuencia que cambia. El desplazamiento está fuera de fase en esta área con la fuerza. Cuando se empuja al sistema, este se mueve hacia el que está empujando y viceversa. A la resonancia misma, el sistema se comporta totalmente diferente en presencia de una fuerza aplicada. Aquí, los elementos resorte y masa se cancelan el uno al otro, y la fuerza solamente ve la amortiguación o la fricción en el sistema. Si el sistema está ligeramente amortiguado es como si se empuja al aire. Cuando se le empuja, se aleja de su propia voluntad. En consecuencia, no se puede aplicar mucha fuerza al sistema en la frecuencia de resonancia, y si uno sigue intentándola, la amplitud de la vibración se va a incrementar hasta valores muy altos. Es la amortiguación que controla el movimiento de un sistema resonante a su frecuencia natural.

98

Figura 4.11 Curva de la respuesta de la resonancia Fuente: Los autores

El ángulo de fase entre la vibración de la fuente de excitación y la respuesta de la estructura siempre es de 90 grados a la frecuencia natural. En el caso de rotores largos, como en turbinas, las frecuencias naturales se llaman "frecuencias críticas" o "velocidades críticas" y se debe cuidar que estas máquinas no operen a velocidades donde 1x o 2x corresponde a esas frecuencias críticas.

4.3.7 SISTEMAS LINEALES Y NO LINEALES Cuando se analizan los espectros de vibraciones de una máquina dentro del contexto de “linealidad” y “no-linealidad”, se tendrá un mejor entendimiento de porque los espectros se ven de cierta manera y esta apariencia relaciona con la “salud” de la máquina.

4.3.7.1 VIBRACIONES DE MÁQUINAS Cuando nosotros vemos en el espectro de vibración de una máquina en el contexto de sistemas lineales y no-lineales, podemos hacer una declaración muy general; cuando las máquinas se deterioran y desarrollan fallas son menos lineales en modo de respuesta. También podemos decir que al tener muchas fallas en las máquinas, estas crean no-linealidad en su comportamiento. Por lo tanto, y también en términos muy generales, podemos esperar que el espectro obtenido en una máquina saludable, sea relativamente simple en comparación con el espectro de una máquina con fallas.

99

Figura 4.12, señal de entrada VS. señal de salida Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005

La Holgura, los Fracturas en la Base de la Máquina y los Tornillos de Sujeción Rotos pueden causa de no-linealidad en las máquinas, que puede resultar en la observación de múltiples armónicas en el espectro

4.4

SEÑALES

TIPOS DE SEÑALES

ESTACIONARIAS

DETERMINISTICAS

NO ESTACIONARIAS

ALEATORIO

CONTINUA

TRANSIENTE

Figura 4.13, Clasificación de las principales formas de señal Fuente: Los autores

100

4.4.1 SEÑALES ESTACIONARIAS La primera división natural de todas las señales es en las categorías estacionarias y no estacionarias. Las señales estacionarias son constantes en sus parámetros estadísticos sobre tiempo. Si uno observa una señal estacionaria, durante unos momentos y después espera una hora y vuelve a observar, esencialmente se vería igual, eso es, su nivel general seria casi lo mismo y su distribución de amplitud y su desviación estándar serian casi lo mismo. La maquinaria rotativa generalmente produce señales de vibración estacionarias. Las señales estacionarias se dividen en señales deterministas y aleatorias.

4.4.1.1

LAS SEÑALES ALEATORIAS

Son impredecibles en cuanto a su contenido de frecuencia y a su nivel de amplitud, pero todavía tienen características estadísticas relativamente uniformes sobre tiempo. Ejemplos de señales aleatorias son lluvia cayendo en un techo, ruido de un motor a reacción, turbulencia en los patrones de flujo de una bomba y cavitación.

4.4.1.2 SEÑALES DETERMINISTAS Son una clase especial de señales estacionarias y tienen un contenido de frecuencia y de nivel relativamente constante por un largo periodo de tiempo. Señales deterministas son generadas por maquinaria rotativa, instrumentos musicales, y generadores de funciones eléctricas. Se pueden dividir en señales periódicas, y casi periódicas. Señales periódicas tienen formas de ondas con un patrón que se repite a igual distancia en el tiempo. Señales casi periódicas tienen formas de onda con una repetición variable en el tiempo, pero que parece ser periódica al ojo del observador. A veces maquinaria rotativa producirá señales casi periódicas, especialmente equipo activado por banda.

101

4.4.1.3 SEÑALES PERIÓDICAS Siempre producen espectros con componentes a frecuencia discreta que son una serie armónica. El término "armónico" viene de la música donde los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental La mayoría de las señales casi periódicas son una combinación de varias series armónicas

4.4.2 SEÑALES NO ESTACIONARIAS Señales no estacionarias se dividen en continuas y transientes.

4.5.2.1 SEÑALES NO ESTACIONARIAS CONTINUAS Son la vibración producida por una perforadora manual, y el sonido de fuegos artificiales.

4.4.2.2 SEÑALES TRANSIENTES Se definen como señales que empiezan y terminan al nivel cero y duran una cantidad de tiempo finita. Pueden ser muy breves o bastante largos. Ejemplos de transientes son un golpe de un martillo, el ruido de un avión que pasa, o la firma de vibración de una máquina arrancando o terminando de funcionar.

102

4.5

ANÁLISIS DE FRECUENCIA

4.5.1 COMPARACIONES TIEMPO FRECUENCIA Para circunvalar las limitaciones del análisis de la forma de onda, la práctica más común es de llevar a cabo un análisis de frecuencias, también llamado análisis de espectro de la señal de vibración. 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. En un horario de una estación de tren se puede representar ya sea en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia, la representación de la frecuencia en este caso es más breve que la representación del tiempo. Eso es una reducción de datos. Un horario muy largo ha sido compactado en dos renglones en el dominio de frecuencia. Es una regla general de la característica de la transformación que los eventos que ocurren en un tiempo largo sean comprimidos a sus lugares específicos en el dominio de frecuencia. HORARIO DE TRENES TIEMPO 6:20 6:40 7:00 7:20 7:40 8:00 8:20 8:40 9:00 9:20 …. … …

FRECUENCIA TRES VECES POR HORA COMENZANDO A LAS 6:20

Tabla 4.1 Es mas claro ver la orden de un secuencia que un listado Fuente: Los autores

En la figura 4.15 se representación una señal compuesta de dos señales de diferente frecuencia estas componentes son separadas y mostrados en el espectro, sus niveles pueden ser fácilmente identificados. Seria difícil de extraer esta información de la forma de onda en el dominio de tiempo.

Figura 4.14 Descomposición de las componentes de una señal Fuente: Los autores

103

Las señales en el dominio del tiempo se traslapan y que son confusos, mientras que en el dominio de la frecuencia están separados en sus componentes individuales. La forma de la onda de vibración contiene una gran cantidad de información que no es aparente. En las máquinas rotativas la información está en las componentes de nivel muy bajo, pero son una indicación de un problema que está creciendo, como puede ser una falla en un rodamiento. La esencia del mantenimiento predictivo es la detección temprana de faltas incipientes. Por eso hay que ser sensible a valores muy pequeños de señales de vibración. Por otra parte, hay circunstancias, donde la forma de onda nos proporciona más información que el espectro.

Figura 4.15 Los efectos individuales son identificado más fácilmente en el dominio de la frecuencia Fuente: Los autores

En la figura 4.16 se muestra el proceso a cumplirse en el proyecto el cual consiste en la toma de señales a través de traductores luego de acondicionar las mismas, en el computador con el uso del software LabVIEW, realizar el análisis de los datos a través del estudio de la señal en el dominio del tiempo y en el dominio d la frecuencia, generando información muy valiosa. El éxito de este 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.

4.5.2 ANÁLISIS DE ESPECTRO El análisis de espectros que se define como la transformación de una señal de la representación en el dominio del tiempo hacia la representación en el dominio de la frecuencia, Fourier estaba trabajando para Napoleón, durante la invasión de Egipto 104

en un problema de sobrecalentamiento de cañones, cuando dedujo la famosa Serie de Fourier, para la solución de la conducción de calor. Puede parecer que hay una gran distancia entre cañones sobrecalentados y análisis de frecuencia, pero resulta que las mismas ecuaciones son aplicables en los dos casos. Fourier más tarde generalizó la Serie de Fourier en la Transformada Integral de Fourier. La llegada del análisis de las señales digitales naturalmente llevó a la llamada Transformada Discrecional de Fourier y la Transformada Rápida de Fourier o TRF

4.5.3 LA TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER Un algoritmo de computadora para calcular la TDF. La Transformada Discrecional de Fourier era conocida en teoría desde hace muchos años, pero solamente con la llegada de la computadora digital fue llevada a la práctica. Para adaptar la TDF para uso con computadoras digitales, la llamada Transformada Rápida de Fourier fue desarrollada. La FFT es un algoritmo para calcular la TDF de manera rápida y eficaz. FFT es la abreviatura usual (del inglés Fast Fourier Transform) de un eficiente algoritmo que permite calcular la transformada de Fourier discreta (DFT) y su inversa. La FFT es de gran importancia en una amplia variedad de aplicaciones, desde el tratamiento digital de señales y filtrado digital en general a la resolución de ecuaciones diferenciales parciales o los algoritmos de multiplicación rápida de grandes enteros. Aplicaciones Ø Tratamiento de imagen (JPEG) y audio (MP3) Ø Reducción de ruido en señales, como el ruido blanco Ø Análisis en frecuencia de cualquier señal discreta Ø Análisis de materiales y estadística Ø Síntesis, mediante la transformada inversa IFFT 4.5.4 LIMITACIONES DEL USO DE LA FFT Al tratar señales reales se introducen dos efectos nocivos:

Ø Leakage sección 3.2.1.6 Ø Aliasis sección 3.2.1.7 105

4.6

ANÁLISIS DE ORDEN29

En lugar de expresar los espectros de vibración en unidades de frecuencia hertzio (Hz), muchas veces es deseable usar órdenes o múltiplos de las RPM de la máquina. En un espectro normalizado de órdenes cada uno de los armónicos de la velocidad está en la misma ubicación en la gráfica sin tomar en cuenta la velocidad de giro. Esto es especialmente valuable, si se quiere comparar varias mediciones en la misma máquina, tomados en momentos diferentes, y que la velocidad ha cambiado un poco entre los momentos de las mediciones.

Figura 4.16 (a) Señal representada en el en rpm, (b) señal representada en ordenes de velocidad Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005

Ø La velocidad de rotación fundamental se puede reconocer como el orden 1x. Ø Armónicos de la velocidad de rotación serán enteros. Ø Una segunda flecha en una máquina activada por engranes tendrá un orden igual a la proporción de los engranes. Ø Frecuencias de excitación tales como proporción de engranaje y paso de alabes en bomba se pueden reconocer fácilmente, porque su orden es igual al número de elementos. Ø Los tonos de rodamientos serán no enteros, muchas veces serán los componentes principales no enteros. Ø Las bandas laterales alrededor de los tonos de rodamiento se podrán reconocer fácilmente porque estarán en el orden de tono ± 1, ± 2 etc.

En general las Máquinas rotativas producen vibraciones repetitivas relacionadas con la velocidad de rotación. 29

Ver el ejemplo del Anexo 4.5

106

Estas relaciones no son siempre evidentes con la señal de análisis dinámico, sobre todo con las variaciones en la velocidad de rotación. Una medición técnica llamada para el análisis de orden es el secreto para resolver todos los componentes de muchas señales

de

que

una

máquina

rotativa

puede

generar.

Sincronización de la medición el análisis de espectro es muy versátil siempre y cuando la máquina está funcionando en una velocidad fija. Pero es fundamental en la en el funcionamiento de maquinarias que la velocidad de elementos rotatorios sea variable lo que hace que sea, muy difícil el análisis, si no imposible. Para subsanar esta condición se aplica el análisis de orden que esencialmente utiliza Sincronización, que por lo general comienza con un tacómetro, que proporciona un pulso o un número de impulsos por cada revolución. Esta señal indica que la máquina ha acabado un ciclo y comienza otro. Un solo pulso de tacómetro indica cuando la máquina rotativa ha llegado a una particular posición angular. Después de la captura de dos pulsos de tacómetro, puede determinar la velocidad de rotación de contar los ciclos de reloj entre los pulsos de tacómetro. Entonces: • La mayoría de las componentes de señal de ruido y vibración están directamente relacionadas a la velocidad de la máquina: Desbalance, falta de alineación, acoplamiento de engranes, defectos de rodamientos, pérdida desacoplamiento • El análisis de orden normaliza las mediciones a la velocidad rotacional para separar estos componentes de señal. Podemos diagnosticas las fallas de máquina conociendo el orden:

Ø Desbalance Ø Falta de alineación Ø Acoplamiento flojo Ø Ruido de válvula Ø Defectos/Desgaste de Rodamientos Ø Frecuencia de aspas Ø Acoplamiento de engranes

Los eventos sucedidos por lo general se muestra en frecuencia, eventos por segundo siendo susceptibles a variar según la velocidad, mientras que el análisis de orden muestra el número de eventos que sucede por revolución, de manera que no importa 107

la velocidad del eje. Los datos son convertidos a un dominio angular a partir del dominio de tiempo

Figura 4.17, el análisis de orden refiere a la posición angular Fuente: NATIONAL INSTRUMNET, Order Analysis Toolsetm for LabVIEW User Manual, www.ni.com

108

4.7

PROCESO DE MONITOREO A LA

VIBRACIÓN EN

MÁQUINAS

4.7.1 DESCIPCIÓN DEL SISTEMA Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la cadena de medición, son: Ø Etapa transductora Ø Etapa de acondicionamiento de la señal Ø Etapa de análisis y/o medición Ø Etapa de registro. El transductor es el primer eslabón en la cadena de edición y debería reproducir exactamente las características de la magnitud que se desea medir. CAPITULO III La etapa de acondicionamiento de la señal consiste en acondicionar la señal que sale del transductor para que pueda ser tratada en el ADC. Esto contempla en Algunos casos, dependiendo del tipo de transductor, filtrado, integración, amplificación o desmodulación CAPITULO III

4.7.1.1 ETAPA DE ANÁLISIS Y/O MEDICIÓN El nivel de vibración y las componentes armónicas de la corriente son evaluados a través normas VDI 2056, ISO 2372 y BS 4675 ANEXO 4.1 4.2 y 4.3, para lo cual la estimación de los valores se efectúa en el entorno del software LABVIEW, en la programación del panel frontal y en el panel del diagrama de bloques.

Figura 4.18. (a) Panel principal para opciones de uso, (b) diagrama de programación para enlazar las diferentes herramientas de análisis Fuente: Los autores

109

Figura 4.19. Panel de la evaluación de la vibración; aceleración velocidad y desplazamiento Fuente: Los autores

Figura 4.20. Panel para la evolución de la amplitud de la vibración y su ubicación en la frecuencia Fuente: Los autores

110

Figura 4.21. Panel para el análisis de orden, aplicado cuando la velocidad de giro de la máquina es variable Fuente: Los autores

Figura 4.22. Análisis espectral de la señal de corriente Fuente: Los autores

111

Figura 4.23 Análisis de la espectral de la señal de voltaje Fuente: Los autores

Figura 4.24. Panel de comparación entre señales de voltaje y corriente Fuente: Los autores

112

Figura 4.25, panel del reporte indica el estado de la maquina Fuente: Los autores

Dentro de la programación para la estimación del estado del elemento monitoreado se evalúa a través de promedios

El Promediado es otra de las características previstas en los analizadores/recolectores de datos. El propósito es obtener resultados más repetible, y que también hace de interpretación compleja de señales mucho más fácil. Existen varios tipos de promedio:

Ø Promedio lineal. Ø Pico sostenido. Ø Exponencial. Ø Sincronía tiempo promedio. Ø Premediación

4.7.1.1.1 PROMEDIO LINEAL Cada espectro FFT recogidos durante una medición se va añadiendo uno tras otro y, a continuación se divide por el número de adiciones. Esto ayuda en la obtención de

113

datos repetibles y tiende a un promedio estable. Este es comúnmente usado una como técnica de medida.

4.7.1.1.2 PICO SOSTENIDO Con este método, el valor máximo en el análisis de cada celda es registrado en cada toma de datos. Esta técnica se utiliza para la visualización de transitorios, es una herramienta

útil

durante

estudios

de

análisis

de

estrés.

4.7.1.1.3 EXPONENCIAL En este método, el más reciente de los espectros adoptados se considera más importante que el anterior. Esto es utilizado para observar las condiciones de cambio que

ocurren

muy

lentamente

con

respecto

al tiempo

de

muestreo.

4.7.1.1.4 SINCRONÍA DE TIEMPO PROMEDIO Este método utiliza una señal de sincronización de la máquina a prueba, y es utilizado para un promedio en el dominio del tiempo. La señal de sincronización es por lo general en forma de un pulso generado por una célula fotoeléctrica o un electromagnético, recogida en una posición de referencia en la circunferencia del eje. El método se utiliza generalmente cuando una máquina de rotación tiene muchos componentes que giran a diferentes velocidades.

4.7.1.1.5 PROMEDIACIÓN (Averaging) Es otra de las herramientas provistas en los analizadores de espectros, el propósito es obtener resultados repetitivos.

4.7.2 PRUEBAS Y MONITOREO Como se ha venido mencionando como parte del funcionamiento de elementos móviles siempre estará presente la vibración, lo que caracteriza una eventualidad es la amplitud y posición del espectro de la vibración. Por ello presentamos el nivel de vibración como característica en cada estado de nuestro motor de pruebas:

114

4.7.2.1 MOTOR EN BUEN ESTADO, PLENA CARGA

Figura 4.26, (a) Banco de pruebas (b) eje del motor enlazado al torquimetro para aplicar carga Fuente: Los autores

En la figura 4.27, se observa que los niveles de vibración es bastante bajo, inherentes del funcionamiento, como se menciona en la sección 4.3.2.3 la señal adquirida es la aceleración de la vibración para con el proceso matemático de integración ir obteniendo la velocidad y el desplazamiento de la misma. Esto con el objetivo contrastar con normas como: la norma ISO 2372 que considera la velocidad de la vibración para diagnosticar el estado de la máquina, otro factor considerado es la aceleración de la vibración referido a una tabla de sugerido por la compañía AMAQ que considera el estado de la máquina midiendo el nivel de vibración pero correspondido a la velocidad de giro. ANEXO 4.1, ANEXO 4.2 respectivamente.

Figura 4.27, Niveles de vibración correspondientes al funcionamiento del motor. En buen estado y plena carga Fuente: Los autores

115

Contrastando estos valores con valores de la norma ISO 2372 y al tratarse de una maquina de CLASE I el estado de la misma es buena.

Al exponer la prueba a cada una de las ventanas, estas van tomando los datos y guardándolas en una base de datos

en EXEL, para luego realizar el reporte

analizando los datos obtenidos de vibración y

del consumo de corriente para

presentarlos de la siguiente manera:

El nivel de vibración corresponde al buen estado del motor, en el análisis de orden todos son menores a -35 dB que es el mínimo valor considerado en las componentes de orden 1x, 2x, 3x y 9x

Figura 4.28, Reporte del análisis mecánico del sistema Fuente: Los Autores

4.7.2.2 PRUEBA CON RODILLOS EN MAL ESTADO

Figura 4.29, de izquierda a derecha, (a) rodillo utilizado para desalineación, (b) rodillo con la jaula rota, (c) rodillo en buen estado, (d) rodillo desgastado, (e) rodillo sin lubricante.

116

4.7.2.2.1 PRUEBAS CON EL RODILLO (b).

Figura 4.30, Nivel de vibración cuando la jaula del rodillo esta rota Fuente: Los autores

El reporte según la norma ISO 2372 que el estado con respecto a vibración es bueno, pero existen diferentes funciones de diagnostico como el de la componentes de orden que muestran rodillo en mal estado debido a que los ordenes de 1x 3x y 9x superan los valores de -35dB, 30dB y -30dB respectivamente, también existe un desgaste de la jaula del rodillo debido a que se presento un valor del espectro de -23,1dB, a una frecuencia de 64,62Hz. La razón por la cual el diagnostico da como resultado aceptable, cuando el rodillo esta en mal estado es debido a que el acelerómetro se coloco en parte delantera del motor y no en la posterior donde estaba un rodillo bueno.

Figura 4.31 Reporte a la prueba del rodillo con la jaula rota (b) Fuente: Los autores

117

4.7.2.2.2 PRUEBAS CON EL RODILLO (d).

Figura 4.32, resultado cunado el rodillo se encuentra desgastado Fuente: Los autores

El reporte según la norma ISO 2372 que el estado con respecto a vibración es aceptable, pero el diagnostico de las componentes de orden que muestran rodillo en mal estado debido a que los ordenes de 1x 3x y 9x superan los valores de -35dB, 30dB y -30dB respectivamente, también existe un desgaste de la jaula del rodillo debido a que se presento una un valor de aceleración de la vibración a una frecuencia de 68,55 Hz a un valor superior a -23,98dB. En esta prueba el rodillo (d) es el que se instala en la posición delantera.

Figura 4.33. Reporte correspondiente a la prueba con el rodillo con desgaste (d) Fuente: Los autores

118

Diagnostico de lo prueba con el rodillo (e), la vibración que experimente el motor es debido a la falta de lubricante en el motor este particular es detectado también por el excesivo ruido o chillido. Se considera importante la lubricación en rodillos a mas de otras razones, la fricción viscosa ofrecido por el lubricante reduce considerablemente la vibración.

Figura 4.34. Diagnostico del rodillo sin lubricante (e) Fuente: Los autores

119

4.7.2.3 DESALINEACIÓN.

Figura 4.35, rodillo usado para desviar el eje del rotor, del eje geométrico Fuente: Los autores

Figura 4.36. Pruebas con eje del rotor desalineado Fuente: Los autores

Al presentarse componentes de orden 1x, 2x y 9x a un valor de -40dB, -35dB y 40dB respectivamente, el diagnostico preestablecido para estos valores es que el eje se encuentra desbalanceado, esto efecto es característico por el constante golpeteo que se siente en la carcasa del motor

Figura 4.37 Diagnostico del motor con el eje del rotor desalineado Fuente: Los autores

120

4.7.2.4 PRUEBA EN CHUMACERAS.

Figura 4.38. Banco de pruebas, prueba de chumaceras Fuente: Los autores

4.7.2.4.1 RODILLO DE LA CHUMACERA EN BUEN ESTADO.

Figura 4.39 Fuente: Los autores

Figura 4.40. Diagnostico del estado de chumaceras, buen estado Fuente: Los autores

121

4.7.2.4.2 RODILLOS DE LA CHUMACERA EN MAL ESTADO.

Figura 4.41 Fuente: Los autores

Figura 4.42. Diagnostico de chumaceras, mal estado Fuente: Los autores

122

4.7.2.4 DESALINEAMIENTO DE POLEA. 4.7.2.5.1 PRUEBA CON LA POLEA, BUENAS CONDICIONES.

Figura 4.43 Fuente: Los autores

Figura 4.44 Fuente: Los autores

Figura 4.45. Buen estado del sistema de transmisión, poleas Fuente: Los autores

123

4.7.2.5.2 PRUEBA CON LA POLEA DESALINEADA

D1 V1

lbanda D2

0,06 m 1800 rpm 0,5 m 0,26 m

V2

415,3846154 rpm

Fbanda

678,5840132 Hz

Figura 4.46. Desviación de la polea conductora, para conseguir desalineamiento Fuente: Los autores

Figura 4.47. Prueba con el la polea conductora desalineada Fuente: Los autores

Figura 4.48 Reporte del estado de transmisión mediante poleas, polea conductora desalineada Fuente: Los autores

124

4.7.2.6 PRUEBA CON ENLACE DE RUEDAS DENTADAS

Figura 4.49. Transmisión por ruedas dentadas Fuente: Los autores

4.7.2.6.1 PRUEBA EN BUEN ESTADO A LA VELOCIDAD DE 600RPM

Figura 4.50. Prueba realizado a la transmisión con ruedas dentadas el eje del motor gira a 600rpm Fuente: Los autores

Figura 4.51. Diagnostico del buen estado Fuente: Los autores

125

4.7.2.6.2 PRUEBA CON RUEDA DENTADA EN MAL ESTADO VELOCIDAD DE 600 RPM. POLEA CONDUCTORA fengrane fdesalineacioón fexentricidad

VELOCIDAD rpm 600 rad/s

1759,291886

Hz

1885 1633,63 Hz 1822,1 1696,46 Hz

62,8318531

Nd

28

POLEA CONDUCIDA VELOCIDAD rpm rad/s Nd

Figura 4.52 Fuente: Los autores

Figura 4.53 Fuente: Los autores

Figura 4.54 Fuente: Los autores

126

264 27,6460154 64

fengrane fdesalineacioón fexentricidad

1769,344983

Hz

1824,6 1714,05 Hz 1797

1741,7 Hz

CAPITULO V

ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE DE CONSUMO El siguiente capitulo detalla el análisis espectral de la corriente más conocido como MCSA (Motor Current Signature Analysis) por sus siglas en inglés. El Análisis apropiado de MCSA nos ayudara a identificar:

Ø Roturas de barras del rotor Ø Rotura de anillos del rotor Ø Cortocircuito de las bobinas del estator Ø Excentricidad del rotor Ø Falla en rodamientos

5.1

ARMÓNICOS DE LA CORRIENTE.

5.1.1 LOS ARMÓNICOS. Los armónicos son distorsiones que se encuentran

dentro de una frecuencia

fundamental (f1), la frecuencia de estos armónicos (fn)es un múltiplo entero de la frecuencia de la onda fundamental (f1), la amplitud de un armónico se expresa en porcentaje respecto a la onda fundamental. “Los armónicos se comportan como fuentes de intensidad en paralelo y a diferente frecuencia donde la suma de todas las intensidades es la corriente que alimenta la carga’’. Cualquier onda no senoidal puede ser representada como la suma de ondas senoidales (armónicos) teniendo en cuenta que su frecuencia corresponde a un múltiplo de la frecuencia fundamental, según la relación:

n

yt

Y0

Yn 2 sin (nwt n 1

127

n

)

(5.1)

Donde: Y0 = Es la componente de corriente directa, la cual es generalmente cero en sistemas eléctricos de distribución [1]. Yn Valor rms de la componente (n th) armónica. Angulo de fase de la componente (nth) armónica cuando t =0 n

Figura 5.1 Efectos de armónico sobre la onda de frecuencia fundamental. Fuente: COLLOMBET Christian, Los armónicos en las redes perturbadas, Schneider Electric, Cuaderno técnico Nº 152, 2000, p 6.

Los armónicos se producen por cargas no lineales, este tipo de carga demanda corriente en pulsos abruptos, en lugar de una onda senoidal. Las características principales que definen a un armónico son: Amplitud que hace referencia a la intensidad del armónico. Orden que hace referencia al valor de su frecuencia referido a la frecuencia fundamental. Así un armónico de tercer orden tiene un valor tres veces superior al a frecuencia fundamental

128

5.1.2 FUENTES DE ARMÓNICOS EN LA CORRIENTE DE CONSUMO DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN. Las principales fuentes de armónicos en la corriente de alimentación de un motor de inducción son: Ø Rotura de barras. Ø Cortocircuito en las bobinas del estator. Ø Excentricidad del rotor. Ø Desgaste de rodamientos. Ø Variaciones propias de la red.

5.2. ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE (MCSA) EN MOTORES DE INDUCCIÓN. El MCSA usa al motor como un transductor, permitiendo evaluar la condición eléctrica y mecánica del motor. A través del análisis de la corriente del motor se pueden detectar variaciones en la carga o en el propio motor, cada una de estas variaciones tiene una frecuencia característica propia que queda marcada en la corriente de alimentación del motor. Para dar un diagnostico exacto, el sistema MCSA utiliza la transformada rápida de Fourier FFT al igual que en el análisis de vibración. Los motores monofásicos y trifásicos pueden ser analizados combinando la desmodulación de corriente y voltaje. Una de las reglas principales en del sistema MCSA, “es que si los picos que se muestran en la señal de corriente, también muestran en la señal de voltaje, la falla es de naturaleza eléctrica y si los picos que se muestran en la señal de corriente, no se muestran en la señal de voltaje, la falla es de naturaleza mecánica’’30.

5.2.1 PASOS BÁSICOS PARA EL ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE (MCSA). Los pasos para el análisis MCSA son los siguientes: 1. Exponga una apreciación global del sistema a ser analizado.

30

Howard W Penrose, Ph.D, APPLICATIONS FOR MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS, General Manager, ALL-TEST Pro A Division of BJM Corp, 2004, p 2.

129

2. Determinar si este sistema nos servirá para resolver nuestro problema, debido al mal funcionamiento de la maquina. 3. Toma de datos. 4. Revisión y análisis de datos.

4.1. Tomar la señal de corriente durante 10 segundos, para analizar la maquina durante ese periodo de tiempo. 4.2. Revisión a baja frecuencia de la desmodulación de la corriente, para ver la condición del rotor e identificar problemas relacionados con la carga. 4.3. Revisión a alta frecuencia de la desmodulación de la corriente y voltaje para determinar fallas eléctricas o mecánicas.

5.2.3. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR PARA REALIZAR EL ANÁLISIS UTILIZANDO LA TÉCNICA MCSA. Para que el análisis por MCSA sea aplicable el motor debe cumplir las siguientes características Ø El motor de inducción monofásico o trifásico debe tener el rotor tipo jaula de ardilla. Ø El motor no bebe tener ningún tipo de control de velocidad, debe operar a velocidad constante. Ø El motor debe operar a carga constante. Ø El motor debe operar por lo menos con el 75% de la carga nominal. Ø Se debe tener acceso a la línea de alimentación del motor aun cuando este se encuentre ubicado en una zona inaccesible. Ø La técnica de MCSA puede ser aplicable a motores de cualquier potencia siempre que se elija el sensor de corriente de acuerdo a los niveles de corriente del motor.

5.2.4 DETECCIÓN DE FALLA USANDO MCSA. Para dar un diagnóstico de un motor de inducción analizando el espectro de la corriente se debe verificar la presencia de bandas laterales alrededor da la frecuencia fundamental, en nuestro caso esta frecuencia es la de la línea de alimentación del

130

motor 60(Hz). Las bandas laterales pueden existir debido al desbalance de las impedancias de los devanados, sin que esto sea un indicativo de una falla. Para establecer cuando realmente existe una falla y dar un diagnóstico correcto el MCSA se basa en el criterio de la diferencia de amplitudes que hay entre el pico de la frecuencia fundamental y el pico de la frecuencia de banda lateral. En MCSA contamos con una Tabla 5.1 que relaciona la diferencia de amplitudes entre frecuencia fundamenta y bandas laterales con el estado del motor.

Tabla 5.1. Criterio de diagnostico de daños en las barras del rotor. Fuente: EQUIPMENTHEALTH “Motor Current Signature Analysis”, http://equipmenthealth.com/mcsa.htm

5.3

ANÁLISIS FUNDAMENTAL, DETECCIÓN DE FALLAS.

5.3.1 IMPLEMENTACIÓN

DEL

SOFTWARE PARA

EL ANÁLISIS

ESPECTRAL DE CORRIENTES. El software para el análisis espectral de la corriente esta desarrollado en el entorno LABIEW, este se basa en programación grafica conocida como lenguaje G. La versión que utilizaremos para el desarrollo del proyecto es LABVIEW 8.5. Este posee herramientas específicas para la adquisición de datos y análisis de señales.

5.3.1.1 DETECCIÓN DE LA FALLA. El reporte del análisis espectral de la corriente es generado por la siguiente línea de programación implementada en LABVIEW según se trato en la sección 5.2.4.

131

Figura.5.2. Criterio para reporte de diagnostico del motor. Fuente: Los autores.

5.3.1.2 ALMACENAMIENTO DE DATOS EN EXCEL. LABVIEW permite el almacenamiento de datos adquiridos en una hoja de cálculo, en nuestro caso con la extensión .xls para crear una hoja de cálculo en Excel. La programación grafica para la implementación del almacenamiento de datos se muestra en la Fig. 5.3.

Figura. 5.3. Diagrama de bloques del almacenamiento de datos en Excel. Fuente: Los autores

132

5.3.1.3 MENÚ DE INICIO. Esta ventana muestra el menú donde tenemos opciones para el diagnostico del motor, esta ventana consta de 8 botones, 6 para el análisis de la maquina, un botón de instrucciones y un botón para la generación de reportes.

Figura. 5.4 Ventana menú de inicio Fuente: Los autores.

5.3.1.4 ANÁLISIS DE CORRIENTE. Esta ventana muestra la señal de corriente, tiene dos indicadores gráficos uno para mostrar la señal en el dominio del tiempo y otra para mostrar la señal en el dominio de frecuencia, además tiene una tabla de datos para registrar los datos de la frecuencia fundamental y la frecuencia de bandas laterales, también existe una tabla para registrar los picos de la corriente en un rango de 0-500 Hz. Por otra parte, también cuenta con selectores de número de muestras, rango de frecuencias e indicadores analógicos de corriente rms y velocidad rpm. El objetivo de esta ventana es facilitar la ubicación de bandas laterales de manera rápida y exacta.

133

Figura. 5.5. Ventana de análisis de corriente Fuente: Los autores.

5.3.1.5 ANÁLISIS DE VOLTAJE. Esta ventana muestra la señal de voltaje, tiene dos indicadores gráficos uno para mostrar la señal en el dominio del tiempo y otra para mostrar la señal en el dominio de frecuencia, además tiene una tabla de datos para registrar los datos de la frecuencia fundamental y la frecuencia de bandas laterales, también tiene una tabla para registrar los picos de la corriente en un rango de 0-500 Hz. Por otra parte, también cuenta con selectores de número de muestras, rango de frecuencias e indicadores analógicos de corriente rms y velocidad rpm.

Figura. 5.6. Ventana de análisis de voltaje. Fuente: Los autores.

134

5.3.1.6 ANÁLISIS DE CORRIENTE VOLTAJE. Esta ventana cuenta con indicadores gráficos, uno que muestra la corriente y el voltaje simultáneamente y el otro indicador grafico que muestra la señal de vibración a más de contar con selectores de promedio de parámetros, rangos de frecuencia, búsqueda de picos y numero de muestras. También tiene un selector que nos permite visualizar las tres corrientes, los tres voltajes o la combinación voltaje-corriente. El objetivo de esta venta es analizar la corriente y voltaje simultáneamente para determinar si la falla es mecánica o eléctrica.

Figura. 5.7. Ventana de análisis de Corriente –Voltaje Fuente: Los autores.

5.3.1.7 REPORTE. Esta ventana nos muestra los datos obtenidos en el análisis de vibración, análisis de orden, análisis de corriente y estima una sugerencia de lo que debe realizase con el motor analizado. Cabe recalcar que para la generación del reporte se deben realizar todos los análisis anteriormente descritos, para que todos los datos del estado de la máquina sean registrados en una base de datos en Excel y el software los analice correctamente Fig.5.8.

135

Figura. 5.8 Ventana de reportes, reporte de barras rotas Fuente: Los autores.

5.4 PRUEBAS. En esta sección detallaremos las pruebas realizadas, las cuales tiene por objetivo verificar las predicciones establecidas por la teoría y evaluar la capacidad del programa de diagnostico para identificar las frecuencias relacionadas con las fallas en el motor. Para la ejecución de las pruebas se utilizaran dos rotores uno en buen estado y otro al que se le romperán las barras para poder simular la falla. Las pruebas se realizaran únicamente para diagnosticar barras rotas. Para dar un diagnostico preciso del estado de la maquina debemos tomar en cuanta lo siguiente:

Mostrar las señales de corriente y voltaje en el dominio del tiempo y frecuencia, los datos en el dominio de la frecuencia pueden ser apreciados en escala logarítmica o lineal. Mostrar los espectros de frecuencia en un rango de (50-70 Hz) para que los resultados obtenidos sean más apreciables. El programa debe mostrar los picos de corriente de bandas laterales, en las frecuencias determinadas por la ecuación 2.12 frecuencia de falla de barras rotas. El programa debe entregar los mismos resultados independientemente del número de pruebas que se realicen. Revisar los datos obtenidos con la tabla 5.1

136

5.4.1 BANCO DE PRUEBAS. Para la elaboración de las pruebas se construyo un banco de pruebas que se muestra en la Fig. 5.9 (a). Las pruebas fueron hechas al 75% de la carga nominal del motor.

Figura. 5.9. Banco de pruebas. Fuente: Los autores.

Figura. 5.9. Modulo de medición de corriente Fuente: Los autores.

Características del motor usado en las pruebas Marca Alimentación Voltaje nominal Rotor Frecuencia Corriente nominal Potencia Numero de polos Velocidad nominal

WEG Trifásico 220 V. Jaula de ardilla 60 Hz. 3A 1 HP. 4 1800 rpm.

Tabla 5.2 Características del motor Fuente: Los autores.

137

5.4.2. PRUEBA CON BARRAS DEL ROTOR EN BUEN ESTADO. Para la ejecución de esta prueba se ha ubicado al motor y el torquímetro tal como se muestra en el esquema de la Fig. 5.11.

Figura. 5.10. Esquema de acoplamiento Motor-Torquímetro (carga). Fuente: Los autores.

Los resultados del análisis son los siguientes:

Figura. 5.12 Señal adquirida de corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia. Fuente: Los autores.

138

Figura. 5.13 Señal adquirida de voltaje en el dominio del tiempo y la frecuencia. Fuente: Los autores.

De las graficas plasmadas en el dominio de la frecuencia en la figura 5.11 se puede concluir que no existen fallas por barras rotas ya que no existen frecuencias de bandas laterales de acuerdo a la ecuación 2.12. En el caso de existir fallas estas deberían presentarse en las frecuencias calculadas a continuación:

fb

f1 1

f1

60Hz.

s

s

2.s

vr

vs vs

1800 1728 1800

0.04

f b1 60 1 2 0.04 f b1

55.2Hz.

f b2

60 1 2 0.04

f b2

64.8Hz.

Al observar las graficas de corriente y voltaje en el dominio de la frecuencia la conclusión es que no existen fallas eléctricas ya que las graficas de los espectros no son iguales, Fig. 5.14. 139

Figura. 5.14 Señal espectral corriente-voltaje Fuente: Los autores.

5.4.3 PRUEBA CON BARRAS DEL ROTOR ROTAS. De la misma forma el motor y el torquímetro fueron dispuestos como indica la Fig. 5.11. Esto se hizo con el objetivo de observar y comprobar específicamente el efecto que producen las barras rotas en el rotor. Para la prueba de barras rotas hemos procedido a realizar tres orificios de 4 mm en el rotor para romper las barras en el punto de contacto con el anillo en cortocircuito tal como observamos en la Fig. 5.15.

Figura. 5.15. Perforación de barras en el rotor Fuente: Los autores.

140

Las graficas obtenidos muestran la presencia de barras rotas.

Figura. 5.16 Señal adquirida de la corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: Los autores.

Figura. 5.17 Señal adquirida de la corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: Los autores.

En la grafica que muestra la señal de la corriente se pueden observar bandas laterales, ubicadas en 55.08 Hz y 64.31 Hz.

Las frecuencias de las bandas laterales son

calculadas de acuerdo a la ecuación 5.21.estas frecuencias son:

fb

f1 1

f1

60Hz.

2.s

141

s

s

vs

vr vs

1800 1728 1800

0.04

f b1 60 1 2 0.04 f b1

55.2Hz.

f b2

60 1 2 0.04

f b2

64.8Hz.

Las frecuencias de bandas laterales calculadas coinciden con las obtenidas en la grafica de la señal de la corriente También se puede decir que no existen fallas eléctricas ya que los picos de la señal de corrigen no son iguales a los picos de la señal de voltaje. Esto implica que la falla es de naturaleza mecánica en este caso se trata de barras rotas en el rotor del motor. La amplitud de las bandas laterales y la frecuencia fundamental se muestra en la Fig.5.18.

La diferencia de amplitudes entre la banda lateral f b1 frecuencia fundamental f 1 60Hz. , 9.55 dB es de: f1

f b1 (dB)

9.55dB

55.08Hz. , -17.27 dB y la

( 17.27dB)

f 1 f b1 dB 26.82dB Basándonos en la Tabla 5.1. El diagnostico debe ser “varias barras rotas daño severo’’

142

Figura. 5.19. Reporte de barras rotas. Fuente: Los autores.

143