Por Rok Mesar, Desarrollador de Negocios
Grupo de Monitoreo Dewesoft

Las fábricas de papel, máquinas de fabricación de papel, se utilizan en la industria para producir papel en grandes cantidades y a alta velocidad. Procesan una pulpa de fibras vegetales que se unen en presencia de agua a través de un sistema de rodillos rotativos.

Las compañías de fabricación de pulpa y papel pueden enfrentar fallas de rodamientos dañinas y costosas en sus fábricas de papel. Tales fallas en la maquinaria afectan la calidad del papel, aumentan el mantenimiento y los costos operativos, pero sin embargo se pueden prevenir mediante el monitoreo del estado de la máquina.

Las máquinas modernas de fabricación de papel se basan en los principios de la máquina Fourdrinier, que utiliza una malla tejida en movimiento para crear una banda continua de papel al filtrar las fibras contenidas en un material de papel y producir una estera húmeda de fibra que se mueve continuamente. Esto se seca en la máquina para producir una banda de papel fuerte.

Paper mill machine architectureFigura 1. Arquitectura de fábrica de papel.

Una sección importante de la máquina de papel es la sección de prensa, que elimina gran parte del agua restante a través de un sistema de muescas formadas por rodillos que se presionan entre sí ayudados por fieltros de prensa que sostienen la hoja y absorben el agua prensada.

La sección de prensa está compuesta de múltiples rollos pegados para exprimir el agua de la hoja de papel. El fieltro se usa para sostener la lámina y para tomar el agua de la lámina. La sección de prensa tiene un gran impacto en las propiedades del papel, como la rugosidad y la absorción, así como en el costo de fabricación.

Las ineficiencias de la eliminación de agua en esta sección causan un mayor consumo de vapor en la sección de secado, donde los costos de energía son más altos, y una disminución de la producción debido a la menor velocidad de la máquina.

Fallas de Rodamientos en la Sección de Prensa

Uno de los problemas más frecuentes en la sección de prensas de las fábricas de papel es el daño y las costosas fallas de los cojinetes en los rodillos de prensas que afectan la calidad del papel y conducen a la detención de la producción. En muchos casos, el daño del rodamiento hace que un rodamiento completo se detenga por completo, lo que da como resultado daños importantes en el eje del rodillo.

Los defectos en los rodamientos del elemento rodante pueden aparecer por una variedad de razones:

  • diseño incorrecto del rodamiento o fabricación o montaje incorrectos,
  • desalineación de las carreras de rodamientos,
  • un diámetro desigual de elementos rodantes,
  • lubricación inadecuada,
  • sobrecarga,
  • fatiga y
  • desgaste desigual.

Las cosas se rompen, pero naturalmente las medidas preventivas regulares pueden mantener los rodamientos al máximo rendimiento. El procedimiento de mantenimiento normalmente se realiza en los siguientes pasos:

  • La máquina de papel está apagada.
  • El rollo dañado debe retirarse y reemplazarse por uno nuevo.
  • El rollo malo se envía al taller donde el rodamiento malo se reemplaza por uno nuevo.

Ejecutar el reemplazo y reiniciar la producción puede costar fácilmente alrededor de 80 horas hombre, además de los costos asociados con la producción interrumpida.

Tales incidentes son comúnmente una señal clara para el equipo de operaciones de que la implementación de un sistema predictivo de monitoreo de la condición de la máquina es imprescindible en cada etapa de producción de la fábrica de papel para evitar futuras fallas costosas.

Las técnicas de mantenimiento predictivo y las técnicas de monitoreo de condición ayudan a determinar la condición del equipo en servicio para estimar cuándo se debe realizar el mantenimiento. Esto permite una programación conveniente del mantenimiento correctivo y evita fallas inesperadas del equipo.

Solución de Monitoreo de Condición de Máquina

El Monitoreo de la condición de la máquina (MCM) es una técnica de mantenimiento predictivo que monitorea permanentemente varios parámetros del estado de la maquinaria para realizar análisis de datos como vibración o temperatura, mientras está en funcionamiento. El monitoreo permanente es la única forma de comprender en detalle el estado de la máquina rotativa y poder realizar el mantenimiento adecuado.

La recopilación de datos, la preparación de datos y la calidad de los datos son las entradas clave para cualquier modelo predictivo y control de calidad. Para realizar el mantenimiento predictivo, primero, agregamos sensores al sistema que monitorearán y recolectarán datos sobre sus operaciones. Los datos para el mantenimiento predictivo son datos de series temporales. Los datos incluyen una marca de tiempo, un conjunto de lecturas de sensores recopiladas al mismo tiempo que las marcas de tiempo e identificadores de dispositivo.

La mejor y más rentable solución es instalar acelerómetros con sensores de temperatura integrados y un ancho de banda de 0-10 kHz en cada rollo. Los sensores deben montarse utilizando pernos roscados para garantizar que la vibración se transmita fielmente a los acelerómetros. Las posiciones de montaje seleccionadas deben estar lo más cerca posible de los rodamientos de rodillos, si es posible directamente en la carcasa del rodamiento.

Los acelerómetros deben colocarse en el extremo del accionamiento, así como en el extremo sin accionamiento, en posición vertical y horizontal. Dado que los rodillos de prensa cambian la velocidad de trabajo, también se deben montar los tacómetros para referencia de velocidad.

Debido a la muy alta humedad presente en la sección de prensa, recomendamos utilizar dispositivos de adquisición de datos graduados KRYPTON IP67 como, por ejemplo, el módulo KRYPTON-4xACC - amplificador de sensor IEPE de 4 canales - y KRYPTON-1xCNT para entradas de tacho.

Las unidades están diseñadas para conectarse en cadena con un solo cable que proporciona alimentación, sincronización y transferencia de datos. Los datos se envían a la computadora del sistema (denominada Unidad de medida) donde se ejecuta la licencia MCM profesional de Dewesoft X3 y se convierten los datos de vibración basados en el tiempo sin procesar en datos MCM.

Paper mill condition monitoring data acquisition configurationFigura 2. Configuración de hardware de adquisición de datos.

La unidad de medida envía los datos calculados al servidor local donde está instalada la base de datos de base de tiempo Dewesoft Historian. En caso de que el cliente no tenga los recursos y la experiencia adecuados para interpretar adecuadamente los datos para el análisis predictivo, podemos aprovechar nuestros servicios adicionales que ayudan a nuestros clientes a generar los informes de análisis predictivo adecuados.

Para hacerlo, instalamos nuestra aplicación basada en la web usando Dewesoft Grafana para presentaciones de alto nivel y toma de decisiones, así como para acceso remoto y monitoreo de condición en línea. Esto permite que nuestro equipo técnico trabaje en estrecha colaboración con el personal de nuestros clientes para brindarles asistencia remota 24/7 y comentarios en tiempo real sobre el estado de sus máquinas.


Figura 3. Ejemplo de una interfaz de alto nivel para cada uno de los rollos..

Como es de esperar que se produzcan fallas en los rodillos, se recomienda utilizar el paquete de software de adquisición de datos Dewesoft X3 Professional Machine Condition Monitoring, que incluye la detección de sobres y la funcionalidad de Análisis de Orden.

Muchos rodillos prensadores usan rodamientos de rodillos esféricos, y se espera que la velocidad de funcionamiento de los rodillos esté entre 70 y 110 RPM. Para simular el caso real, evaluamos dos rodamientos: el rodamiento A dañado con una grieta exterior de la pista; consulte la figura 4. y el rodamiento B, un rodamiento SKF 2232E perfecto.

Para el propósito de la prueba, ambos rodamientos fueron montados en un banco de pruebas interno. Usando un VFD (variador de frecuencia) con un motor acoplado a una caja de engranajes que impulsa el rodillo, logramos condiciones muy similares a las esperadas en la sección de prensa de Paper Mill.

Bearing with outer ring crackFigura 4. Rodamiento con anillo exterior roto.

El sistema Dewesoft identificó el problema del rodamiento defectuoso filtrando primero los componentes de frecuencias más bajas y más altas de la señal y luego implementó un algoritmo de detección de envolvente que cambió la señal a un espectro de frecuencia más bajo (también conocido como demodulación). Esto mostró claramente que el problema estaba en la carrera del rodamiento exterior del rodamiento A.

Envelope detection showing the Ball Pass Frequency Outer (BPFO) failure on the bearing AFigura 5. Detección de envolvente que muestra la falla de la frecuencia de paso de bola (BPFO) en el rodamiento A.

¿Cómo funciona todo detrás de escena? El algoritmo que calcula la envolvente usa dos rangos de frecuencia como entradas (Figura 6):

  • La banda de frecuencia de la señal sin procesar sobre la cual se envolverá la señal resultante: típicamente, una señal de alta frecuencia, en nuestro ejemplo 2500 Hz - 8000 Hz, que debe incluir la frecuencia de sonido de rotura de bola pero filtra las señales de baja frecuencia y
  • el ancho de banda de la señal de envolvente resultante, que debe incluir las frecuencias de firma del componente de rodamiento buscadas.

La figura siguiente muestra la configuración del Algoritmo de Detección de Envolvente en el software Dewesoft, que es bastante fácil de configurar y usar. También ofrece una base de datos completa de rodamientos calculada a partir de los datos del fabricante. Seleccionamos el tipo de rodamiento SKF 22320E y el software calculó automáticamente las frecuencias internas y externas de paso de bola (BPFI y BPFO), jaula y elementos rodantes correspondientes.

Dewesoft envelope detection setup example with bearing database featureFigura 6. Ejemplo de configuración de detección envolvente de Dewesoft con función de base de datos de rodamientos.

¿Por qué otros sistemas podrían no reconocer la falla? Porque podrían estar usando acelerómetros de baja velocidad y / o no tienen la función de detección de envolvente.

La frecuencia del sonido del timbre, proveniente de los rodamientos, tiene muy poca energía. Para analizarlo matemáticamente, primero necesitábamos filtrar las frecuencias más bajas y más altas de la señal y luego envolverla en un espectro de frecuencia más bajo (también conocido como demodulación).

La señal sin procesar, como se ve en la figura 7, determinó un cierto timbre de alta frecuencia en la señal sin procesar del dominio del tiempo, sin embargo, es muy difícil entender cuál es la razón detrás de esto.

Raw time-domain signal and high-frequency spikesFigura 7. Señal de dominio de tiempo sin procesar y picos de alta frecuencia.

Para obtener una mejor idea, también hicimos la representación FFT de la señal sin procesar (ver figura 8) que muestra picos de energía muy bajos a 1 x RPM, 2 x RPM, y especialmente a 1 x frecuencia de BPFO.

Vibration analysis - FFT representation of the raw signalFigura 8. Análisis de vibración: representación FFT de la señal sin procesar.

La razón por la que no hay una gran amplitud en 1x BPFO de la señal de aceleración en bruto se puede explicar de la siguiente manera.

Cuando una pelota golpea la grieta en la carrera exterior, la vibración real que ocurre debido al golpe tiene una frecuencia mucho más alta que el BPFO. La carrera exterior y la pelota básicamente producen una señal de vibración de timbre de alta frecuencia (también se escucha como sonido) durante un corto período de tiempo. Este patrón de señal se repite cada vez que una bola golpea la grieta, por lo tanto, el patrón se repite a la frecuencia BPFO, pero el timbre en sí tiene una frecuencia mucho más alta.

Conclusión

Al instalar la solución de monitoreo de condición de la máquina Dewesoft, las fábricas de papel obtienen una solución confiable para detectar problemas de rodamientos para sus rollos de sección de prensa. La eficiencia de la solución de Dewesoft para detectar fallas en los rodamientos, mucho antes de la falla, también se aplica a otros tipos de maquinaria en la industria, como sopladores, cintas transportadoras, astilladoras, clasificadores de virutas, refinadores, pantallas de presión, transportadores de tornillo, agitadores, monitoreo de pellizcos, rodillos de fieltro, etc.

La solución de monitoreo de estado de la máquina Dewesoft permite la detección de fallas de los rodamientos, sobrecalentamiento, desequilibrio del eje, montaje separado, falla del diente de engranaje, desalineación de carga y excentricidad del estator.

La solución reduce significativamente los costos y el tiempo de mantenimiento, así como también elimina el tiempo de inactividad en la sección de la prensa debido a fallas en los rodamientos. Sin embargo, las múltiples funciones del software permiten una clara supervisión del operador, así como un análisis en profundidad de la condición de la máquina adecuado para los expertos en PDM.