Aplicación de las Vibraciones Mecánicas en la Ingenieria Industrial
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UNIVERSIDAD AUTONOMA
DE SANTO DOMINGO
UASD
Fundada el 28 de Octubre de 1538 1538 FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
APLICACIÓN DE LAS VIBRACIONES MECANICAS EN LA INGENIERIA INDUSTRIAL Asignatura:
Mecánica Racional II Sección:
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Instructor:
Ing. Eisenhower R. Chaljub Hernández
Sustentado Sus tentado por: por :
Willy Lavata
BI-8987
Ciudad Un ive iversitari rsitari a, Sto. Sto. Dgo., R.D. 10 de M ayo, 2013. 1
APLICACIÓN DE LAS
VIBRACIONES
MECANICAS
EN LA INGENIERIA INDUSTRIAL
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INDICE
Presentación
Introduccion ………………………………………………………………………..4
1 Las Vibraciones Mecánicas ……………………………………………………………5 1.1 Breve Reseña Histórica ………………………………………………………5 1.2 Clasificaciones ………………………………………………………………...7 1.2.1 Vibración Libre ………………………………………………………………7 1.2.1 Vibración Forzada………………………………………………………......7 1.2.2 Vibraciones Amortiguadas …………………………………………………8 1.2.3 Vibraciones Forzadas Amortiguadas ……………………………………..8 2 Aspectos Generales de las Vibraciones en la Industria …………………………….9 2.1 Actuaciones en Fase de Proyecto…………………………………………..9 2.2 Análisis Modal ………………………………………………………………..10 2.3 Soluciones Anti Vibratorias…………………………………………...........10 3 Vibraciones Trasmitidas al Sistema Mano-brazo y Cuerpo completo …………...11 3.1 Precauciones y Medidas a considerar …………………………………….12 3.2 Controles Respecto a las Herramientas Manuales……………………...13 3.3 Controles Respecto a las Máquinas o Vehículos………………………..13 4 Las Vibraciones Mecánicas en la Industria Azucarera …………………………….14 4.1 Causas de las Vibraciones Mecánicas ……………………………………15 4.1.1 El Desbalance Dinámico ………………………………………………….15 4.1.2 La Flojedad …………………………………………………………………15 4.2 Efectos de las Vibraciones Mecánicas ……………………………………16 4.3 Principios básicos para el Análisis de Vibraciones ………………………17 4.4 Aspectos importantes a considerar ………………………………………..17
Conclusión ………………………………………………………………..………19
Referencias……………………………………………………………………….20
Anexos……………………………………………………………….…… Anexos…………………………… ………………………………….……………21 ………21
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INTRODUCCION El análisis de vibraciones es un tema muy amplio al cual se han dedicado estudios completos, esta introducción expone de forma resumida algunos aspectos teóricos de las vibraciones de los sistemas elásticos, que ayudarán a comprender los métodos de cálculo de la acción de los sismos sobre las estructuras basados en sus efectos dinámicos. Todas las estructuras mecánicas, son susceptibles de experimentar problemas de vibraciones (resonancia).
Los esfuerzos dinámicos producidos por las vibraciones, además de ser alternativos (fatiga).
Pueden ser varias veces mayores que los esfuerzos estáticos
(Amplificación dinámica)
Los problemas de vibración generalmente se traducen en altos costos de operación y mantenimiento debido al desgaste prematuro y/o y/o la falla.
Un sistema mecánico bien diseñado puede vibrar en un rango específico sin producir mayores problemas.
Las mediciones de vibración pueden dar dar información sobre la condición condición de los equipos y pueden ayudar a diagnosticar o evitar una falla.
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1
LAS VIBRACIONES VIBRACIONE S MECANICAS El estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos de los cuerpos y a
las fuerzas asociadas con ellos. Todos los cuerpos que poseen masa y elasticidad, son capaces de vibrar. Una vibración mecánica es el movimiento de una partícula o cuerpo que oscila alrededor de una posición de equilibrio. La mayoría de las máquinas y estructuras experimentan vibraciones hasta cierto grado por lo que su diseño requiere la consideración de este efecto dinámico debido a que ocasiona un aumento en los esfuerzos y tensiones. Una vibración se produce cuando el sistema en cuestión es desplazado desde una posición de equilibrio estable, el sistema tiende a retornar a dicha posición, bajo la acción de fuerzas de restitución elástica o gravitacional, moviéndose de un lado a otro hasta alcanzar su posición de equilibrio. El intervalo de tiempo necesario para que el sistema efectúe un ciclo completo de movimiento se llama periodo de vibración, el número de ciclos por unidad de tiempo define la frecuencia y el desplazamiento máximo del sistema desde su posición de equilibrio se denomina amplitud de vibración.
1.1
BREVE RESEÑA HISTORIA Desde que aparecieron los primeros instrumentos musicales, en especial
los de cuerda, la gente ya mostraba un interés por el estudio del fenómeno de las vibraciones, por ejemplo, Galileo encontró la relación existente entre la longitud de cuerda de un pendido y su frecuencia de oscilación, además encontró la relación entre la tensión, longitud y frecuencia de vibración de las cuerdas. Estos estudios y otros posteriores ya indicaban la relación que existe entre el sonido y las vibraciones mecánicas.
Podemos mencionar entre otros, Taylor, Vernoulli, D' D'
Alember, Lagrange, Lagrange, Fourier, Fourier, etc. La ley de Hooke en 1876 sobre la elasticidad, elasticidad, Coulomb dedujo la teoría y la experimentación de oscilaciones torsionales, Rayleigh con su método de energías, etc. Fueron grandes físicos que estructuraron las bases de las vibraciones como ciencia. 5
El buen funcionamiento de los amortiguadores de un automóvil. El mal aislamiento de maquinaria que pueda dañar la infraestructura de la misma y zona aledaña, ruido causada por maquinaria. Son ejemplos de algunos. Un fenómeno de la cual las maquinas temen es la llamada resonancia, cuyas consecuencias pueden ser serias. Por otro lado el buen funcionamiento de la maquinaria industrial es un fenómeno que requiere de una constante inspección, es decir, el mantenimiento predictivo; este juega un papel importante en el crecimiento económico de una empresa, ya que predecir una falla es sinónimo de programación de eventos que permite a la empresa decidir el momento adecuado para detener la maquina y darle el mantenimiento. Existe una relación entre el estudio de las vibraciones mecánicas del sonido, si un cuerpo sonoro vibra el sonido escuchado esta estrechamente relacionado con la vibración mecánica, por ejemplo una cuerda de guitarra vibra produciendo el tono correspondiente al # de ciclos por segundo de vibración. Para que un cuerpo o sistema pueda vibrar debe poseer características potenciales y cinéticas. Nótese que se habla de cuerpo y sistema si un cuerpo no tiene la capacidad de vibrar se puede unir a otro y formar un sistema que vibre; por ejemplo, una masa y resorte donde la masa posee características energéticas cinéticas, y el resorte, características energéticas potenciales. Otro ejemplo de un sistema vibratorio es una masa y una cuerda empotrada de un extremo donde la masa nuevamente forma la parte cinética y el cambio de posición la parte potencial. Vibración mecánica: es el movimiento de vaivén de las moléculas de u cuerpo o sistema debido a que posee características energéticas cinéticas y potenciales. En cualquiera que sea el caso, la excitación es el suministro de energía. Como ejemplos de excitación instantánea tenemos el golpeteo de una placa, el rasgueó de las cuerdas de una guitarra el impulso y deformación inicial de un sistema masa resorte, etc.
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1.2
CLASIFICACIONES Vamos a ver varias formas de clasificar el estudio de las vibraciones
mecánicas.
1.2.1 Vibración Libre Es cuando un sistema vibra debido a una excitación instantánea.
1.2.1 Vibración Forzada: Es cuando un sistema vibra debida a una excitación constante. Esta importante clasificación nos dice que un sistema vibra libre mente solo y solo si existen condiciones iníciales, ya sea que suministremos la energía por medio de un pulso (energía cinética) o debido a que posee energía potencial, por ejemplo deformación inicial de un resorte. Esta energía es disipada por
el
fenómeno
llamado
amortiguación, en ocasiones es despreciable. Aun cuando la energía es disipada durante la vibración, en le caso de la vibración forzada esta
descompensada
por
la
excitación constante.
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1.2.2 Vibraciones Amortiguadas: En realidad todas las vibraciones se amortiguan en cierto grado gracias a las fuerzas de fricción. Estas fuerzas pueden deberse a fricción seca o a fricción de Coulomb, entre cuerpos rígidos, a fricción fluida, cuando un cuerpo rígido se mueve en un fluido, o a fricción interna entre las moléculas de un cuerpo aparentemente elástico.
1.2.3 Vibraciones Forzadas Amortiguadas: La suspensión de automóvil, está compuesta en esencia, por un resorte y un amortiguador, el cual provocará que la carrocería se someta
a
vibraciones
forzadas
amortiguadas cuando el vehículo sea conducido sobre un camino disparejo.
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ASPECTOS GENERALES DE LAS VIBRACIONES EN LA INDUSTRIA Las vibraciones producidas por las
maquinas que nos rodean no solo producen molestias directas al trabajador que las maneja, su propagación por las estructuras se transforma en ruido en los espacios próximos, con la consiguiente incomodidad para los trabajadores.
Otras veces estas vibraciones mecánicas se transmiten al exterior de los límites de la industria, afectando zonas
En sabemos
incluso
a
residenciales.
iberacústica que
el
confort es un valor muy apreciado por las personas, tanto en el trabajo como en el descanso, por eso trabajamos junto a los departamentos de Ingeniería, para conseguir que las vibraciones mecánicas producidas por las instalaciones no afecten, no solo al trabajador de forma directa, sino a los espacios próximos.
2.1
Actuaciones en fase de proyecto:
Cálculo del aislamiento necesario respecto a otros espacios
Diseño y cálculo de bancadas
Diseño y cálculo de amortiguadores
Análisis de de problemas problemas más complejos complejos mediante técnicas técnicas predictivas predictivas 9
2.2
Análisis modal
Creación de un modelo tridimensional y caracterización de las vibraciones mecánicas.
Técnicas de medida experimentales y predictivas mediante software
Localización de los futuros puntos conflictivos
Diseño y Evaluación de las soluciones.
2.3
Soluciones Anti vibratorias:
Recomendaciones de Mantenimiento
Tratamiento Amortiguante de Superficies.
Aislamiento Aislamiento de Estructuras Estructuras
Soluciones Personalizadas
Correcta elección del futuro emplazamiento de la fuente o
Evitando superficies susceptibles de transmitir vibraciones fácilmente
o
Evitando contactos rígidos con forjados o paramentos fácilmente excitables
Bancadas independientes de las estructuras originales
Masas de inercia
Si durante la jornada laboral manipulas herramientas manuales rotativas, alternativas o percutoras tales como atornilladores, lijadoras, moto sierras, o bien conduces vehículos industriales, camiones, carretillas elevadoras, tractores forestales, debes conocer que estos equipos de trabajo pueden generar vibraciones mecánicas, durante su funcionamiento, que pueden transmitirse al organismo y producir efectos nocivos sobre la salud.
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VIBRACIONES VIBRACIONE S TRASMITIDAS AL SISTEMA SISTEM A MANO-BRAZO Y CUERPO COMPLETO La energía mecánica, en forma de vibración, puede
interaccionar con el organismo desplazando una cierta cantidad de masa muscular, huesos, etc. sobre la posición de referencia, pudiendo originar una serie de efectos negativos sobre la salud y bienestar de la persona expuesta a vibraciones mecánicas. En la industria de la madera y el mueble se presentan operaciones manuales donde se utilizan equipos de trabajo que pueden transmitir vibraciones al sistema mano-brazo, entre otros:
Motosierras
Motodesbrozadoras.
Ingletadoras.
Sierras de calar.
También se usa maquinaria donde la exposición a las vibraciones mecánicas puede transmitirse al cuerpo entero, se citan algunos equipos de trabajo como:
Tractor forestal.
Cargador de tronzas.
Procesadora.
Desbrozadora.
Carretilla elevadora
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Una fuente de vibración a tener en cuenta son las estructuras y armazones de máquinas con partes móviles (p.ej. descortezadora de trozas, trituradora de madera...) estas son capaces de transmitir vibraciones hasta lugares alejados de la fuente
3.1
PRECAUCIONES Y MEDIDAS A CONSIDERAR Los métodos básicos para reducir la exposición a vibraciones mecánicas
son, en orden de prioridad: 1) Medidas para eliminar el peligro de exposición a vibraciones:
Rediseño del producto manufacturado.
Modificación del proceso, sustitución de máquinas, equipos no vibrátiles. Si no es posible evitar el uso de herramientas y máquinas que generan
vibración, se reducirá la exposición mediante una serie de medidas preventivas: 2) Medidas de reducción de las vibraciones en la fuente:
Selección de herramientas o vehículos industriales
con el nivel de
vibraciones más bajo posible.
Instalación de equipos auxiliares y sistemas de amortiguación.
Mantenimiento preventivo y adecuado de herramientas y vehículos.
3) Medidas de reducción de la transmisión de vibraciones:
Diseño ergonómico óptimo de los espacios de trabajo y las tareas con equipos manuales generadores de vibraciones.
Reducción de la transmisión de vibraciones a través de las estructuras sólidas.
Acondicionamiento del terreno o zonas de circulación de máquinas móviles.
Equipos de protección individual.
Control de la temperatura corporal.
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4) Medidas de reducción de la duración de la exposición:
Rotación de los puestos, funciones y tareas.
Establecer un tiempo de recuperación.
Conocer las medidas preventivas tomadas para eliminar o reducir el riesgo frente a las vibraciones.
Saber el resultado de la evaluación del riesgo de exposición a vibraciones.
Reconocer la magnitud de las vibraciones y los síntomas asociados a ellas, así como el modo de notificarlo si se da una situación anormal.
Conocer los resultados de la vigilancia de la salud.
Se recomienda realizar una formación específica relativa al uso y mantenimiento del equipo trasmisor de vibraciones.
3.2
CONTROLES RESPECTO A LAS HERRAMIENTAS MANUALES:
Mantener correctamente los elementos de corte, bien fijado, equilibrado y afilado.
Sustituir las piezas desgastadas que provocan incremento de los valores de vibración.
Hacer uso de de tus equipos equipos de protección como guantes y botas
de
seguridad.
Dejar a la herramienta hacer el trabajo y sujetarla con la menor
fuerza
posible, procurando que esto sea compatible con la práctica de seguridad del trabajo y control total de la herramienta.
3.3
CONTROLES RESPECTO A LAS MÁQUINAS O VEHÍCULOS:
Verificar la adecuación de los sistemas amortiguadores.
Mantener la puesta a punto de los motores.
Respeta el uso del asiento ergonómico y confortable, con sistema de amortiguación, regulable en altura, longitud.
Adecuar la velocidad a las condiciones de la vía. Velocidades menores generan menos vibraciones.
Mantener en buen estado el firme de las vías de circulación.
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LAS VIBRACIONES VIBRACIONE S MECANICAS EN LA INDUSTRIA AZUCARERA Una
máquina
ideal
no
produciría vibraciones, ya que toda la energía se emplearía en el trabajo a
realizar.
vibraciones
En
la
práctica,
aparecen
las
como
consecuencia de la transmisión de fuerzas cíclicas por los diversos mecanismos. Los elementos de la máquina
reaccionan
entre
sí,
transmitiéndose las fuerzas por toda la estructura hasta disipar la energía en forma de vibraciones. Un buen diseño producirá bajos niveles de vibración, pero en la medida que la máquina se vaya desgastando, aparecerán sutiles cambios en sus propiedades dinámicas. Los ejes se desalinean, los rodamientos se desgastan, los rotores se desbalancean y las holguras aumentan.
En el pasado remoto, los ingenieros
de
planta
podían
reconocer por medio del tacto y escucha si una máquina marchaba con suavidad o si se avecinaba alguna avería. Hoy, debido a que la mayoría de la maquinaria gira a velocidades en la que la frecuencia de las vibraciones es muy alta se hace necesario el uso de instrumentación para detectarlas y medirlas.
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4.1
CAUSAS DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS Uno de los fenómenos más comunes que producen vibraciones en una
máquina rotativa en los Ingenios Azucareros es:
4.1.1 El Desbalance Dinámico. Este tipo de vibración mecánica en las máquinas rotatorias produce fuerzas centrífugas (dirección radial) que cambian de dirección en el espacio, conforme gira la máquina. El comportamiento de este tipo de fuerza es senoidal (cíclico) y depende de la frecuencia de vibración de la máquina. Otro elemento que puede provocar vibraciones es el desalineamiento en los elementos rotativos. Este caso se da por ejemplo, cuando no existe paralelismo entre un eje y sus chumaceras; lo que provoca un aumento en la magnitud de vibración de los apoyos o calentamiento en las chumaceras. Otra fuente importante que puede llegar a producir aumento en las vibraciones es:
4.1.2 La Flojedad. Este fenómeno se da cuando existen desajustes en los elementos de transmisión, tales como: fajas, cadenas, ruedas dentadas y acoples. Estos desajustes provocan que los elementos se aflojen, iniciando un proceso de aumento
de
la
magnitud
de
vibración
en
los
elementos
de
apoyo
(chumaceras).Una causa muy común de vibraciones consiste en las fallas en las Chumaceras.
Debido a que estos elementos son los que soportan la carga de los ejes, están propensos a fallar por desgaste, calentamiento o por consecuencia de desalineamientos y desbalances en los ejes.
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4.2
EFECTOS DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS
Los efectos que producen las vibraciones mecánicas en los ingenios azucareros son contraproducentes, tanto para sus equipos, como para el personal y para las estructuras que lo soportan. Una vibración excesiva, puede ocasionar:
Pérdida de la capacidad del personal de operación del ingenio de realizar eficientemente sus actividades, lo que retarda la producción y esto incurre en pérdidas económicas para los ingenios.
Riesgo de accidente para el personal que labora cerca de los equipos operando bajo condiciones de vibraciones altas. Por ejemplo, operadores trabajando cerca de los molinos.
Reducción de la vida útil de los equipos en forma considerable, lo que hace menos rentable la producción
La existencia de vibraciones indica que la máquina no opera en óptimas condiciones, por lo que el consumo de energía se incrementa e incurre en perdidas para los ingenios.
Generación de ruidos excesivos, que producen daños al personal, lo cual está penalizado por la legislación laboral. Para poder resolver y corregir todos los problemas que ocasionan las vibraciones mecánicas, se han diseñado diferentes Técnicas de Análisis de vibraciones que estudian el comportamiento delas vibraciones. Con el uso de Análisis de Vibraciones, se logra determinar con bastante precisión las condiciones a la que esta sometida una máquina rotativa.
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4.3
PRINCIPIOS BÁSICOS PARA EL ANÁLISIS DE VIBRACIONES El Análisis de Vibraciones requiere de toda la información necesaria del
equipo que se desea monitorear. La información útil para el análisis es:
-
El tipo de rodamientos.
-
Las velocidades de giro.
-
Las condiciones de apoyo.
-
Potencia del equipo.
-
Condiciones de Carga
4.4
ASPECTOS IMPORTANTES A CONSIDERAR
El mantenimiento Predictivo por medio del Análisis de Vibraciones debe realizarse antes, durante y después de cada zafra para minimizar fallos imprevistos.
La etapa más crítica para un Ingenio azucarero, en la cual hay que centrar toda la atención a nivel de Mantenimiento Predictivo, es el período de Zafra.
Debido a que la generación de electricidad a partir de bagazo de caña tiene mucha relevancia, es necesario que los turbogeneradores se encuentren en óptimas condiciones.
Las fuentes más comunes de las vibraciones mecánicas en los equipos de un ingenio azucaro son: Desbalance Dinámico, desalineamiento de ejes, flojedad en elementos de transmisión, deterioro de chumaceras.
A través del método de Análisis del Espectro de Vibraciones, se pueden realizar diagnósticos más precisos en un equipo; pues se puede analizar cada componente de la señal que genera vibraciones a diferentes frecuencias.
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Las mediciones para el análisis de vibraciones deben realizarse en las direcciones: vertical, horizontal y axial, para ejes horizontales; y horizontal frontal, horizontal lateral y axial, para ejes verticales. Lo anterior permite una mayor precisión al monitorear el comportamiento delas vibraciones en 3 dimensiones.
Todo los datos medidos para realizar un Análisis de Vibraciones, deben ser comparados con los limites permisibles de las Normas internacionales, pues es necesario garantizar y justificar los criterios de Análisis a la hora de dar un diagnostico de un equipo.
Basándonos en criterios de costo e importancia dentro del proceso de producción del azúcar, los equipos críticos en un ingenio azucarero son: el Turbogenerador, los Ventiladores de Tiro Inducido y Tiro Forzado, las Bombas de inyección de las Calderas, la Transmisión de los Molinos, las Centrifugas y los Ventiladores del Secador de Azúcar.
Es indispensable que todos los ingenios azucareros apliquen técnicas de análisis predictivo de vibraciones dentro de sus planes de Mantenimiento Preventivo; pues de esa manera podrá reducir el número de horas de intervenciones de mantenimiento, mejorando su producción y obteniendo mayores utilidades,
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CONCLUSION La importancia del método de análisis por vibraciones mecánicas, sustentado en los avances de la moderna tecnología de medición y en el análisis dinámico temporal y frecuencial de señales, y utilizado como herramienta del mantenimiento predictivo, permite hoy en día detectar con gran precisión desde desgastes de cojinetes antifricción hasta que diente de un reductor de engranajes está dañado.
El alcance atribuido al mantenimiento predictivo por vibraciones mecánicas está supeditado a la mayor rentabilidad, seguridad y precisión en el diagnostico.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Beer, Ferdinand P., E. Russel, Johnston Jr.: Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica, Dinámica , 8va Ed. México: McGraw-Hill.
ELECTRÓNICAS
http://www.monografias.com/trabajos81/vibraciones-mecanicas/vibracionesmecanicas.shtml http://es.scribd.com/doc/61627677/6/EFECTOS-DE-LAS-VIBRACIONESMECANICAS http://html.rincondelvago.com/vibraciones-mecanicas.html
VIDEO: VIBRACIONES EN RODAMIENTOS
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=U-ME1QgkaOY&NR=1
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ANEXOS
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