viernes, 14 de junio de 2024 · 0 min read
¿Cómo interpretar los datos de su solución de monitoreo de condición de máquinas?
Las máquinas vibran mientras están en funcionamiento y, a veces, se puede escuchar un sonido. El sonido/ruido es, de hecho, una función de la vibración.
Utilizamos tecnologías de monitoreo de condición de máquinas para escuchar a las máquinas. Existen varias técnicas de monitoreo de condición de máquinas disponibles en el mercado.
Aunque el monitoreo de vibraciones sigue siendo el método más comúnmente utilizado para la evaluación del estado de las máquinas. Mediante el monitoreo de vibraciones, obtenemos señales en el software de monitoreo de condición para un análisis e interpretación de datos adicionales.
La interpretación puede ser manual (con un Ingeniero de Mantenimiento Predictivo calificado) o automática (usando software de mantenimiento predictivo). Los datos se presentan más comúnmente de dos maneras:
Dominio del tiempo: es una representación de valores físicos mostrando la amplitud en el eje y y el tiempo en el eje x.
Dominio de la frecuencia o espectro: es solo otra forma de ver los mismos datos. El análisis de frecuencia descompone los datos de tiempo en una serie de ondas sinusoidales. La Transformada Rápida de Fourier (FFT) es un método matemático para transformar una función del tiempo en una función de frecuencia. Los valores físicos se representan mostrando la amplitud en el eje y y la frecuencia en el eje x.
El espectro de frecuencia es la representación de señal más comúnmente utilizada en el análisis de vibraciones.
Aprende más:
Si bien la amplitud es importante, el cambio en la amplitud a lo largo del tiempo es más importante para comprender la gravedad del problema. Por esta razón, la disponibilidad de la funcionalidad de datos históricos (monitoreo de tendencias) en el sistema de monitoreo de vibraciones es crucial.
Por otro lado, la frecuencia nos indica la naturaleza del fallo que se está desarrollando. Una representación muy simplificada es clasificar las frecuencias en dos categorías principales:
Vibración de baja frecuencia (DC a 1kHz) relacionada con la velocidad de la máquina, medida en velocidad (mm/s). En esta categoría se encuentran desalineaciones, holguras mecánicas y desbalances.
Alta frecuencia (1kHz a 10kHz) relacionada con la frecuencia natural del componente, medida en aceleración (g). En esta categoría se encuentran fallos en los rodamientos y engranajes.
Puedes revisar la parte teórica del desbalance y la desalineación y comparemos con ejemplos de la vida real. Para ello, construimos el siguiente equipo de demostración:
El motor utilizado en la configuración de demostración es un motor eléctrico de 750 W que funciona a una velocidad constante de 3000 RPM (50 Hz). Está conectado a una caja de engranajes externa acoplada con un acoplamiento de mandíbula.
Para fines de monitoreo de condición de máquinas, hemos montado dos acelerómetros ASI-1xVIB-50g en el extremo del motor. Ambos están alineados horizontalmente, uno en la dirección axial y el otro en la dirección radial.
Conectamos los sensores al dispositivo de adquisición de datos IOLITEd-2xASI y adquirimos los datos utilizando el software de Monitoreo de Condición de Máquinas de Dewesoft. Para presentar el estado de la máquina, establecimos umbrales de aceleración y velocidad y usamos tres colores para representar tres estados diferentes:
Verde: Condición normal
Amarillo: Advertencia
Rojo: Alarma - la máquina necesita mantenimiento inmediato
Los gráficos FFT en la parte inferior izquierda de la pantalla (ver segunda figura abajo) muestran la velocidad de vibración medida en el dominio de frecuencia de ambos sensores.
El sensor axial está representado por la gráfica roja
El sensor radial está representado por la gráfica amarilla
¿Qué es el desbalance y cómo se ve en el dominio de frecuencia?
El desbalance es una de las principales causas de vibración en las máquinas. Se describe como la distribución desigual de la masa alrededor del eje de rotación, lo que genera una fuerza centrífuga que crea una alta vibración y reduce la vida útil de la maquinaria.
Existen varias causas de desbalance, comenzando con la corrosión o el desgaste (que causan ganancia o pérdida de peso), tolerancias de holgura, partes sueltas del rotor, peso distribuido de manera desigual dentro del rotor, porosidad en las fundiciones, desalineación del tren de transmisión con el eje del rotor, entre otras. Cuando la máquina está desbalanceada, debería ser detectado por el sistema de monitoreo de condición de máquinas y representado con una mayor amplitud en el primer orden y, en algunos casos, también como una amplitud aumentada en el segundo y tercer orden de la velocidad de rotación de la máquina.
En nuestro ejemplo, simulamos el desbalance añadiendo una masa de 5 gramos en el lado exterior del acoplamiento al cambiar el tornillo del acoplamiento por uno más largo y pesado. Esto movió el centro de masa fuera de la línea central del eje y causará una mayor vibración a la frecuencia de la velocidad de rotación del motor (50Hz) - primer orden en la dirección radial.
¿Qué es la desalineación paralela (desplazamiento) y cómo se ve en el dominio de frecuencia?
Existen varios tipos de desalineación:
Desalineación angular
Desalineación de rodamientos
Desalineación de poleas
Desalineación paralela
Decimos que dos ejes están desalineados paralelamente cuando están paralelos entre sí pero a cierta distancia.
La desalineación paralela también es un problema muy común que causa vibración en las máquinas. Cuando la máquina está desalineada paralelamente, debería ser detectado por el sistema de monitoreo de condición de la máquina y representado con una mayor amplitud en el primer orden, segundo, y a veces también en el tercer orden de la velocidad de rotación de la máquina.
Para simular la desalineación paralela entre el motor y la caja de engranajes en el banco de pruebas, movimos el motor en la dirección perpendicular al eje.
La posición del motor se cambió horizontalmente en 3 mm. Como puede ver, el sistema detectó una amplitud aumentada en el primer orden (frecuencia de la velocidad de rotación del motor (50Hz)) y en el segundo orden en la dirección radial.
Aunque entender la vibración de baja frecuencia normalmente no es tan difícil, se necesita mucho más conocimiento especializado para comprender los niveles de vibración de alta frecuencia.
¿Está familiarizado con los rodamientos y los posibles defectos?
Los defectos en los rodamientos son una de las fallas más comunes que ocurren en la maquinaria rotativa. Para entender las fallas, primero necesitamos conocer la composición del rodamiento. Un rodamiento típico de rodillos consta de los siguientes componentes:
Elementos rodantes: bolas/rodillos
Caja
Anillo interior
Anillo exterior
Defectos típicos en los rodamientos
Los defectos más típicos en los rodamientos son:
Defectos en el anillo exterior
Defectos en el anillo interior
Defectos en los elementos rodantes
Defectos en la caja
Defectos en múltiples componentes
Problemas de lubricación del rodamiento
Desalineación
Holgura
Veamos más de cerca a las fallas típicas en los rodamientos y cómo podemos identificarlas en el espectro de frecuencia.
Defectos en el anillo exterior
Los defectos en el anillo exterior normalmente se caracterizan en el espectro de frecuencia por la presencia de múltiples picos (armónicos) de la BPFO - Frecuencia de Paso de la Bola en el Anillo Exterior. La BPFO se representa por el número de pasos que las bolas realizan sobre un punto defectuoso en el anillo exterior en el período en que el eje realiza una vuelta, multiplicado por la frecuencia de rotación del eje.
La ecuación para calcular la BPFO es la siguiente:
BPFO=(Nb2)(1+BdPdcos(β))BPFO=(2Nb)(1+PdBdcos(β))
Donde Nb es el número de elementos rodantes, Bd es el diámetro de la bola, Pd es el diámetro del paso y β es el ángulo de contacto. La frecuencia típica de la BPFO varía de 2 a 15 veces la RPM.
Defectos de la caja
Los defectos en la caja normalmente se caracterizan en el espectro de frecuencia por la presencia de múltiples picos (armónicos) de la FTF y la frecuencia de falla de la caja. La FTF (Frecuencia Fundamental del Tren) – la velocidad de rotación del tren corresponde al número de rotaciones que realiza el tren en el período en que el eje realiza una vuelta, multiplicado por la frecuencia de rotación del eje.
La ecuación para calcular la FTF es la siguiente:
FTF=(12)(1−BdPdcos(β))FTF=(21)(1−PdBdcos(β))
Donde Bd es el diámetro de la bola, Pd es el diámetro del paso y β es el ángulo de contacto. La frecuencia típica de la FTF es menos de 1/2 x RPM.
Defectos en las bolas
Los defectos en las bolas normalmente se caracterizan en el espectro de frecuencia por la presencia de múltiples picos (armónicos) de la BSF, la frecuencia de falla del elemento rodante. BSF (Frecuencia de Giro de la Bola) – el número de rotaciones que una bola realiza alrededor de sí misma en el período en que el eje realiza una vuelta, multiplicado por la frecuencia de rotación del eje.
La ecuación para calcular la BSF es la siguiente:
BSF=(PdBd)(1−(BdPdcos(β))2)BSF=(BdPd)(1−(PdBdcos(β))2)
Donde Bd es el diámetro de la bola, Pd es el diámetro del paso y β es el ángulo de contacto. La frecuencia típica de la BSF varía de 5 a 15 veces la RPM.
Defectos en el anillo interior
Los defectos en el anillo interior normalmente se caracterizan en el espectro de frecuencia por la presencia de múltiples picos (armónicos) de la BPFI, la frecuencia de falla del anillo interior. BPFI (Frecuencia de Paso de la Bola en el Anillo Interior) – el número de veces que las bolas pasan sobre un punto defectuoso en el anillo interior en el período en que el eje realiza una vuelta.
La ecuación para calcular la BPFI es la siguiente:
BPFI=(Nb2)(1+BdPdcos(β))BPFI=(2Nb)(1+PdBdcos(β))
Donde Nb es el número de elementos rodantes, Bd es el diámetro de la bola, Pd es el diámetro del paso y β es el ángulo de contacto. La frecuencia típica de la BPFI varía de 4 a 15 veces la RPM.
En la práctica, normalmente se necesita utilizar una técnica especial llamada Detección de Envolvente para determinar eficazmente las frecuencias características de los elementos del rodamiento.
Defectos en múltiples componentes del rodamiento
Los defectos en múltiples componentes del rodamiento son bastante comunes. Son visibles en el espectro de frecuencia por la presencia de diferentes frecuencias de falla de los elementos del rodamiento y sus armónicos.
Holgura
La holgura ocurre cuando los elementos rotativos se han montado incorrectamente o el rodamiento se ha instalado incorrectamente. Se conocen tres tipos de holgura en rodamientos:
Holgura interna excesiva del rodamiento: Generalmente presenta una firma espectral caracterizada por la presencia de vibración sincrónica (armónicos de la velocidad de rotación), vibración subsincrónica (0.5x RPM) y no sincrónica (1.5x RPM, 2.5x RPM, 3.5x RPM, etc.). Estas frecuencias a veces pueden ser moduladas por la FTF.
Holgura entre el rodamiento y el eje: Aparecen múltiples armónicos de la frecuencia de rotación, pero normalmente el principal es el 3x RPM.
Holgura entre el rodamiento y la carcasa: Aparecen múltiples armónicos de la frecuencia de rotación, pero normalmente los principales son 1x RPM y 4x RPM.
Desalineación de rodamientos
La desalineación de rodamientos se caracteriza por la presencia de vibración en varios armónicos de la frecuencia de rotación, con la amplitud más significativa en NB x RPM, donde NB es el número de elementos rodantes en el rodamiento.
Lubricación inadecuada
Los problemas de lubricación inadecuada se caracterizan por vibraciones de alta frecuencia (entre 1 kHz y 20 kHz), con bandas de picos espaciados entre sí, debido a la excitación de las frecuencias de resonancia de los rodamientos en estos rangos de frecuencia.
¿Cómo sabemos cuán grave es el problema?
Hasta ahora, hemos hablado más o menos sobre la identificación de la ubicación del problema y, por lo tanto, nos hemos centrado en las frecuencias características.
Cuando intentamos estimar la gravedad del problema, necesitamos observar la amplitud de la señal. Si bien la amplitud absoluta es importante, un cambio en la amplitud a lo largo del tiempo es más importante para comprender la gravedad del problema. Por esta razón, la disponibilidad de la funcionalidad de datos históricos en el sistema de monitoreo de vibraciones es crucial.
Existen muchas normas, como la Organización Internacional de Normalización (ISO), la Asociación Alemana de Ingenieros (VDI), y muchas otras, que regulan las vibraciones mecánicas proponiendo límites, técnicas de medición, clasificaciones de máquinas, etc. Las normas pueden servir como un buen punto de partida para establecer los umbrales de las alarmas.
Sin embargo, una buena comprensión de los elementos de la máquina y del comportamiento a largo plazo de la máquina, basada en datos históricos recopilados y en un análisis avanzado de datos, es vital para determinar las condiciones de la máquina. Esto permite a los ingenieros de mantenimiento establecer una estrategia de mantenimiento y llevarla a cabo de manera efectiva y eficiente.
Conclusión
El análisis del espectro FFT es una técnica muy importante para la interpretación de la señal de vibración y se utiliza a menudo para detectar desbalance y desalineación.
En la práctica, los expertos en monitoreo de condición de máquinas utilizan el monitoreo permanente y varias formas de análisis y algoritmos para una mejor comprensión y evaluación del estado de la máquina, como la detección de envolvente, el seguimiento de órdenes, los gráficos de órbitas y otros, para proteger la maquinaria crítica.
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