UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHECARRERA: ING. EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL ASIGNATURA: MANTENIMIENTO PREDICTIVO MECÁNICO PROFESOR: ING. RAMÓN SARAO CALDERÓN TEMA: REPORTE DE ANÁLISIS Y DIAGNÓSTICO DE VIBRACIÓN EFECTUADO EN BAJA FRECUENCIA, ALTA FRECUENCIA Y RPM. INTEGRANTES: NATALIA FÉLIX MÉNDEZ REBECA RODRÍGUEZ PÉREZ RICARDO QUIX MAQUIN PABLO BAUTISTA GARCIA GRADO: “9” GRUPO: “A” FECHA DE ENTREGA: 27 DE JUNIO DE 2014 REPORTE DE ANALISIS DE VIBRACIÓN INTRODUCCIÓN A continuación se hace una breve descripción del contenido de cada capítulo, el cual ha sido ordenado para facilitar al lector la comprensión de los elementos fundamentales y la estructura del Análisis de Vibraciones para el Mantenimiento Predictivo. También se presentan las Normas Internacionales utilizadas como guía a la hora de realizar un Análisis de Vibraciones. Espectro de fase Su función es tomar los datos de la amplitud de vibración a distintas frecuencias. El espectro de fase permite observar la relación entre las fases absolutas de las distintas componentes de vibración. A cada componente de vibración le corresponde una fase. Una de sus ventajas, es que nos permite diferenciar los efectos de dos componentes distintas a una misma frecuencia. En la actualidad, para poder realizar análisis de Vibraciones en las máquinas de un ingenio azucarero, se están utilizando equipos de medición digitales. Para poder realizar dichos análisis, es necesario tomar las lecturas de la magnitud de las vibraciones, su frecuencia, velocidad y aceleración. Con estas lecturas se podrá realizar el estudio de los espectros, y así determinar el estado del equipo. Equipo de medición para toma de datos Los equipos para el análisis de la vibración, dependiendo de su grado de complejidad pueden ser de dos tipos: 2.- Analizadores de Vibración: Estos equipos proporcionan el espectro de vibración, con este equipo es posible realizar diagnósticos. Los hay fijos y portátiles El proceso de toma de datos es independiente del equipo, ya sea un Medidor RMS o un Analizador de vibraciones. En esta sección se describe dicho proceso. Para el ejemplo de aplicación, se utilizará un Analizador de Señales marca MACHINERY HEALTH ANALYZER al Análisis de Vibraciones CSI 2130. FIGURA 1. Analizador de Espectros CSI 2130 Toma de datos Cuando los datos se toman con un equipo RMS, generalmente se obtiene una Amplitud de la Vibración (mm/seg., g). Algunos pueden proporcionar la Frecuencia domínate en ciclos por minuto (CPM). Cuando los datos se toman en un equipo Analizador de Vibraciones, se obtienen: un espectro de Amplitud de la Vibración vrs. La Frecuencia, en donde la Amplitud de la vibración puede estar en unidades de Velocidad (mm/seg.) o Aceleración (g) así como la Frecuencia en ciclos por minuto (CPM) o Hz. El lugar o ubicación en el cual se toman las mediciones de vibración se denomina Puntos. Datos obtenidos del lado cople y lado libre del motor. LADO LIBRE RPM VELOCIDAD GRADOS 50 90⁰ 1212 180⁰ 1652.54 360⁰ 1241.81 LADO COPLE RPM VELOCIDAD GRADOS 50 90⁰ 1242 180⁰ 1243.05 360⁰ 1358.54 Análisis de lado cople. ANALISIS DEL LADO LIBRE 90⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1230 RPM 0.0030 1 Si detecto ANALISIS DEL LADO LIBRE 180⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1652.53 RPM 0.00057 1 Si detecto ANALISIS DEL LADO LIBRE 360⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1241.81 RPM 0.00139 1 Si detecto Análisis de lado libre. ANALISIS DEL LADO LIBRE 90⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1242.63 RPM 0.000168 1 Si detecto ANALISIS DEL LADO LIBRE 180⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1243.04 RPM 0.00123 1 Si detecto ANALISIS DEL LADO LIBRE 360⁰ VELOCIDAD FRECUENCIA AMPLITUD DIVISOR ESTADO 50 1358.34 RPM 0.00078 1 Si detecto La Norma ISO 10816-1 ha reemplazado a la Norma ISO 2372 como guía general para mediciones fuera de límite y para la evaluación de vibraciones mecánicas en máquinas industriales típicas. Una vez que ha sido definida la 3clasificación general de las maquinas, su aplicación, la técnica de montaje; las condiciones de operación deben ser facturadas dentro de los parámetros de aceptación del criterio de evaluación aplicado. Para esta Norma, las medidas de la velocidad pueden ser categorizadas así: Los rangos típicos relacionados con la categoría de la máquina, tanto para valores RMS como pico, se muestra en la tabla siguiente. Descripción de criterios: El cual la Magnitud de la vibración baja, se dice que el rango es Bueno, es decir que el peligro de falla es mínimo, de tal manera que se encuentra en un rango de 0.28-0.71. En este estándar las maquinas se clasifican según la potencia, el tipo de montaje utilizado y el uso de la máquina. La clasificación fue dada por CLASE I: E l cual está dada por maquinas pequeñas con potencia menor a 15 KW. La cual se observó por medio de la ficha técnica del equipo: 1/7 x 0.745= 0.106 KW es igual a 106.42 W La siguiente tabla para las maquinas CLASE I a CLASE IV es apropiada para la mayoría de las aplicaciones de acuerdo a la experiencia. Las máquinas de CLASE V y CLASE IV, son difíciles de clasificar, debido a que ellas varían considerablemente sus características vibratorias. Máquinas rotativas con rotores rígidos (ciertos tipos de motores eléctricos, bombas monoetapa y bombas de baja velocidad). La vibración habitualmente se mide en la estructura principal de la máquina (tapas de cojinetes o soportes) donde los niveles de vibración resultan indicativos de las fuerzas de excitación generadas en el rotor como consecuencia de desequilibrios, rozamientos, deformaciones térmicas, vórtices y otros tipos de excitación. NORMAS ISO La normalización internacional (INTERNATIONAL STANDARD ORGANIZATION) sobre la severidad de vibraciones de máquinas tiene una extensa gama de normas, entre las cuales pueden citarse: ISO 2372-1974. “Vibración mecánica de máquinas con velocidades de operación entre 10 y 200 rev/s. Bases para la especificación de estándares de evaluación”. Es aplicable a máquinas rotativas con rotores rígidos y a máquinas rotativas con rotores flexibles en los que la medida de vibración en la tapa del cojinete resulta indicativa del comportamiento vibracional de eje. Sólo estudia vibración global, sin bandas de frecuencias. Los datos que se requieren para su aplicación son el nivel global de vibración en velocidad - valor eficaz RMS, en un rango de frecuencia entre 10 y 1.000 Hz (severidad de la vibración, según ISO). Por ello, cuando se trabaja en mantenimiento predictivo haciendo análisis por bandas, puede resultar muy útil definir siempre una banda ISO de 10 Hz a 1KHz, de cara a tener una referencia para posibles informes o reclamaciones. El análisis de este rango de frecuencias permite incluir, para estas velocidades de operación, las acusas más comunes de vibración en máquinas rotativas: • Excitaciones de carácter asíncrono debidas a rozamientos. • Desequilibrio del rotor. • Excitaciones de carácter eléctrico y sus armónicos. • Armónicos de excitaciones asíncronas del rotor. Resultados: Se observa que los niveles de vibración es bastante bajo, inherentes del funcionamiento, como se mencionó anteriormente la señal adquirida es la aceleración de la vibración para con el proceso de integración ir obteniendo la velocidad y el desplazamiento de la misma. Esto con el objetivo de 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 misma aceleración de la vibración que considera que el estado de la maquina midiendo el nivel de vibración pero correspondido a la velocidad de giro respectivamente. Contrastando estos valores con valores de la norma ISO 2372 y al tratarse de una máquina de CLASE I el estado de la misma es buena. El nivel de vibración corresponde al buen estado del motor, en el análisis de orden son menores a -35 dB que es el mínimo valor considerado en los componentes de orden 1x. 2x, 3x y 9x. Existen diferentes funciones de diagnóstico como el de la componente de orden muestra rodillo en mal estado. Debido a que los órdenes de 1x, 3x, y 9x superan de los valores de -35dB, 30dB y -30dB respectivamente. También existe un desgaste de la jaula del rodillo debido a que se presentó un valor de -23,1dB, a una frecuencia de 64,62 Hz. La razón la cual el resultado es aceptable, cuando el rodillo está en mal estado es debido a que el acelerómetro se colocó en parte delantera del motor y no en la posterior donde estaba un rodillo bueno. De tal manera que necesitara lubricante para evitar ruidos, rozaduras de tal pieza, ya que la vibración viscosa por el lubricante reduce considerablemente la vibración. El criterio de severidad en vibración admisible para cada una de las CLASES de máquinas mencionadas, es el reflejado en la Tabla: Como puede observarse en la tabla, la severidad de vibración se divide en cuatro rangos: A-Buena, B-Satisfactoria, C-Insatisfactoria o D-Inaceptable. Para utilizar la norma ISO 2372, basta con clasificar la máquina en estudio dentro de la clase correspondiente y, una vez obtenido el valor global (RMS) de vibración entre 600 y 60.000 CPM, localizar en la tabla la zona en la que se encuentra. En general, se suele considerar que la severidad de vibración de la máquina se mantiene invariable si presenta siempre el mismo valor RMS de amplitud de velocidad de vibración en el rango de frecuencias 10 – 1.000 Hz. DETERMINACIÓN DE LA CONDICIÓN DE RODAMIENTOS MEDIANTE ANÁLISIS ESPECTRAL. Las vibraciones de baja frecuencia, son las causadas por vibraciones de la estructura y fallos de la instalación tales como falta de alineación, desequilibrios, falta de fijación de los montajes, así como zonas deterioradas de los rodamientos. Las vibraciones de alta frecuencia, ocurren cada vez que una bola pasa sobre uno de los defectos del rodamiento. Este hecho genera pequeños impulsos que transmiten energía al alojamiento del rodamiento, esté responderá a su frecuencia natural, amortiguada por el efecto de la estructura mecánica. Si se comparan los espectros en frecuencia obtenidos durante un determinado periodo de tiempo, es posible detectar un aumento en la amplitud en una de las frecuencias naturales de vibración; aumento que puede estar motivado por un defecto en el rodamiento. Las señales de vibración de muy alta frecuencia se encuentran en la región de emisión acústica, y solo están producidas por el paso de las bolas por los defectos del rodamiento. Para la efectiva identificación y análisis de problemas en máquinas rotatorias son necesarios datos, esto se refiere a la identificación de defectos en rodamientos, incluyendo a aquellos en las pistas externas, pistas internas, jaula, bolas o rodillos. La señal de vibración emitida por un rodamiento puede contener componentes espectrales que están relacionadas con la geometría del rodamiento, el número de elementos rodantes, la velocidad de rotación, la ubicación del defecto y el tipo de carga aplicada. Es de gran importancia en la industria moderna poder detectar defectos en los rodamientos de las máquinas críticas en una etapa incipiente de falla. Cuando existen fallos en los elementos del rodamiento, se producen vibraciones a unas frecuencias altas no relacionadas con la velocidad de rotación y de amplitud. Es relativamente fácil de reconocer fallas al ver el gráfico de amplitud v/s frecuencia, ya que se caracteriza por tener muchos picos juntos a altas frecuencias y de amplitud variable que dependerá de la gravedad del problema. La frecuencia a la que se produce la máxima amplitud da una idea del elemento defectuoso del rodamiento. Los defectos en elementos rodantes, pistas de rodadura o jaula porta bolas generan fuerzas que se transmiten al alojamiento y estructura que les rodea. Figura 1. Grafica se muestra que no existe rodamiento defectuoso. Los rodamientos con defectos generan vibraciones asociadas a cinco frecuencias. Estas frecuencias son calculadas desde fórmulas relativamente simples. Defectos: En los rodamientos pueden ocurrir daños en las pistas, los elementos rodantes, la jaula porta bolas. Estos defectos producen señales vibratorias que son únicas, además, la lubricación inadecuada y el juego excesivo también pueden ser identificados por sus señales vibratorias únicas. Pistas: En las pistas los defectos pueden ser identificados por una componente a la frecuencia de paso de las bolas por la pista en la cual existe el defecto. Por ejemplo, cuando el tamaño del defecto aumenta, el ancho de banda del espectro puede aumentar y llegar a ser modulado por la RPS, el espectro podría ser de banda ancha con componentes a la frecuencia de paso de las bolas más o menos las RPS. A veces, cuando el defecto llega a ser más grande las frecuencias de paso de las bolas desparecen y el espectro entonces puede ser un conjunto de componentes. Figura 2. Se muestra que no existe defecto en la pista externa de un rodamiento. Los defectos en las pistas externas y las pistas internas se comportan en forma similar, pero la amplitud de las componentes en el espectro producidas por un defecto en la pista interna son menores que las generadas por un mismo tamaño de defecto en la pista externa. La razón de esto puede ser que un defecto en la pista interna solo está en la zona de carga una vez por revolución y la señal debe viajar a través de más interfaces de elementos para llegar a la superficie. Elementos rodantes, bolas y rodillos: Los defectos en los elementos rodantes pueden generar componentes a BSF o algunos múltiples de ella y a la frecuencia fundamental del tren. El espectro puede ser de dos tipos: una componente a alguna de las frecuencias anteriores o una combinación de componentes en la cual una de las tres frecuencias modula una frecuencia natural, una frecuencia de engrane, una frecuencia de paso de las bolas o alguna otra frecuencia. Cuando ocurre esto, el espectro puede ser de banda ancha o sea consistir de una serie de componentes separadas entre ellas por BSF y/o FTF. Cuando un elemento rodante, bola o rodillo, está defectuoso, se generan frecuentemente una BSF y puede aparecer en el espectro como una componente o como suma o diferencia de frecuencias. Cuando hay más de una bola o rodillo defectuoso, se pueden generar sumas de BSF y el número de sumas es igual al número de bolas o rodillos dañados. Por ejemplo, si BSF es 59 Hz y hay cuatro bolas dañadas, debería aparecer una componente de aproximadamente 236 Hz. Si estos defectos llegaran a ser suficientemente grandes como para afectar la rotación de la jaula, se pude presentar un FTF. No siempre la presencia de una BSF indica una bola o un rodillo dañado o defectuoso, la BSF se puede generar también si las bolas están empujando fuertemente contra la jaula. Cabe mencionar que los defectos en las bolas o rodillos están, generalmente, acompañados con una pista externa o interna defectuosa. Juego interno: El excesivo juego interno es generalmente un problema en rodamientos de rodillo esféricos. Las solturas internas pueden ocurrir por varias razones como por ejemplo, los manguitos se han asentado mejor en el eje, se ha soltado la tuerca de apriete, o partículas abrasivas en el aceite lubricante están produciendo degaste excesivo. Cualquiera sea la causa, el espectro presentará varios armónicos de la velocidad de giro. Algunas otras características de la soltura incluyen bajas amplitudes, espectro de banda ancha de ruido aleatorio y un cambio en la sensibilidad en el balance amiento. Jaula porta elementos: Como se dijo anteriormente, algunos defectos en la jaula presentan BSF. Se pueden generar componentes similares debido a defectos en la caja del rodamiento y al giro del aceite en descansos del cojinete. La jaula es generalmente el componente que menos falla en un rodamiento. La secuencia típica de falla es la siguiente: Defectos en las pistas de rodadura, luego defectos en los elementos rodantes y luego defectos en la jaula porta elementos. Cuando la jaula se rompe en muchos lugares, como para permitir que las bolas se amontonen, pueden producirse grandes cambios en las frecuencias y fuertes ruidos y es inminente un agarrotamiento del rodamiento. Lubricación inadecuada: Las signaturas generadas por una inadecuada lubricación de los rodamientos se caracterizan por tres o cuatro picos en el rango de frecuencias de 900 Hz a 1600 Hz. La diferencia de frecuencia entre los picos está en el rango de 80 Hz a 130 Hz. La amplitud aumenta tanto como 0, 1 a 0,2 plg/seg cuando la lubricación es inadecuada. El rodamiento puede dañarse rápidamente como resultado de una lubricación inadecuada. Figura 3. Existe una lubricación inadecuada. Las dos normas más relevantes sobre la severidad de las vibraciones en las máquinas de la Organización Internacional de Normalización (International Standard Organization) son las normas ISO 2372 e ISO 10816. La norma que se aplica al banco de pruebas utilizado en el laboratorio es la norma ISO 2372 por lo que se analizará esa norma. Norma ISO 2372 – 1974: Vibración mecánica de máquinas con velocidades de operación entre 10 y 200 rev/s. Bases para la especificación de estándares de evaluación. Las características más relevantes de la norma ISO 2372 son: • Es aplicable a los equipos rotativos cuyo rango de velocidades de giro está entre 600 y 12000 RPM. • Los datos que se requieren para su aplicación son el nivel global de vibración en velocidad, valor eficaz RMS, en un rango de frecuencias entre 10 y 1000 Hz, distinguiendo varios tipos o clases de equipos rotativos según la tabla que se muestra a continuación. Para utilizar la norma ISO 2372, basta con clasificar la máquina en estudio dentro de la clase correspondiente y una vez obtenido el valor global de vibración entre 600 y 60000 CPM localizar en la tabla 4 la zona en la que se encuentra. Holguras entre rodamiento y eje. Aparecen varios armónicos de la frecuencia de giro y normalmente el múltiplo dominante es el 3x RPM. Holguras entre rodamiento y cajera. Presenta varios armónicos a la frecuencia de giro, destacando por su mayor amplitud los picos a 1x y 4x RPM. Rodamientos desalineados. Como ya se ha comentado en el capítulo de desalineación, las firmas espectrales se caracterizan por la presencia de vibración a varios armónicos de la frecuencia de giro, destacando por su mayor amplitud el pico a NB·RPM, siendo NB el número de elementos rodantes del rodamiento. Inadecuada lubricación. Los problemas de lubricación se caracterizan por presentar vibración a alta frecuencia (entre 50.000 y 100.000 CPM) presentando bandas de picos distanciadas entre sí un rango de frecuencia variable entre 48.000 y 7.800 CPM, debidas a la excitación de las frecuencias de resonancia de los rodamientos que se encuentran en estas zona de frecuencia. RESULTADOS OBTENIDOS Mediante los análisis de vibración de alta y baja frecuencia que se le realizaron al motor se encontró que el equipo cuenta con algunas fallas en los rodamientos y la falta de lubricación en las partes donde el equipo hace un gran esfuerzo y eso hace que este no funcione adecuadamente, se pudo saber estos resultados mediante la investigación, cálculos y las normas que hablan sobre fallas de motores con respecto a las vibraciones y también pudimos clasificar en que rango se encuentra gracias a la ficha técnica donde nos pudimos guiar para investigar más a fondo acerca del equipo. Los valores de vibración globales, así como también los espectros no presentan indicaciones que permitan disparar la parada de la máquina. Se presume que se obtienen bajos valores de vibración, debido a la atenuación que experimenta la señal en el camino recorrido. RECOMENDACIONES Lubricar con una grasa que posea un factor de velocidad mayor o igual a los 600.000 mm/min. Controlar la limpieza del canal de lubricación (alemites) y el drenaje. Realizar inspecciones periódicos del estado y condición de la grasa lubricante del cojinete. Recalcular los períodos de relubricación en función de que se realicen desde el alemite o desde el lateral del rodamiento. CONCLUSIÓN Se obtuvo conocimiento de los diferentes tipos de motores de 15kw de acuerdo a la ficha técnica del equipo esto nos ayuda a clasificar los tipos de rango, frecuencia, amplitud, y la velocidad con la cual debe de trabajar, esto ayudara al equipo tener un mayor tiempo de vida útil y sobre todo ver las posible fallas que se presentaran a futuro, por esa razón se realizó un análisis de vibración lo cual dio como resulto tres fallas en el equipo las cuales son: rodamiento, poleas y lubricación de acuerdo a las normas ISO 2372 Es aplicable a los equipos rotativos cuyo rango de velocidades de giro está entre 600 y 12000 RPM . Los problemas de lubricación se caracterizan por presentar vibración a alta frecuencia (entre 50.000 y 100.000 CPM) presentando bandas de picos distanciadas entre sí un rango de frecuencia variable entre 48.000 y 7.800 CPM, debidas a la excitación de las frecuencias de resonancia de los rodamientos.