MÓDULO 2 – Verificación e inspección de sistemas de máqui

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CURSO “DISEÑO DE CONTROLADORES INDUSTRIALES DE ALTO NIVEL”.
MÓDULO 2 – Verificación e inspección de sistemas de máquinas y componentes.
Tarea 2.3 – Inspección de los sistemas y componentes de una máquina por
medio de análisis de vibraciones y vibrodiagnósticos.
Puntos principales:
• Introducción.
• Principales fuentes de vibraciones en máquinas rotatorias.
• Métodos de observación, análisis y diagnóstico de vibraciones.
• Tipos de técnicas para la realización del análisis de vibraciones.
• Medios técnicos de estudio de las vibraciones.
• Análisis de ondas de tensión.
2.3.1. Introducción
Vibración
Las vibraciones son oscilaciones mecánicas, creadas por movimientos periódicos
permanentes o no permanentes de piezas o de sus partes con respecto a su posición de reposo.
La vibración podría ser una fuente de problemas a nivel ya que puede causar daños en el
equipo, pérdida de control sobre el equipo, así como reducción de la eficiencia de la máquina.
Las vibraciones se caracterizan por tres parámetros principales: el desplazamiento de la
vibración x, la velocidad de vibración v y la aceleración de la vibración a. El desplazamiento de la
vibración es un valor transitorio de la desviación del punto de vibración a partir de su posición
de reposo. En caso de vibración sinusoidal el desplazamiento obedece a la ley:
donde x es la amplitud del desplazamiento de la vibración; ω - la frecuencia angular; ψ - el
ángulo de fase inicial
Las fórmulas para la velocidad de vibración y la aceleración son las siguientes:
V=ω.X – valor de amplitud de la velocidad
A=ω2.X – valor de amplitud de la aceleración
Estas dependencias explican las diferencias entre los espectros de frecuencia de las tres
variables.
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Influencia de las vibraciones
Influencia de las vibraciones en máquinas y mecanismos. Las vibraciones afectan
significativamente a las máquinas y mecanismos en los siguientes aspectos: la cantidad de
desgaste, resistencia y durabilidad (sobre todo en los medios de transporte); precisión en la
fabricación de diversos detalles en máquinas herramientas; precisión en los mecanismos de
temporización (relojes); precisión de los componentes de los dispositivos de memoria con
rotación (unidades ópticas y magnéticas duras); creando molestias debido al ruido. El
estudio de la vibración es particularmente importante en diferentes sectores de los campos
técnicos modernos: tecnología de la metalurgia, la energía y el transporte de ingeniería,
cohetes y el aeroespacial, etc.
Medidas preventivas para reducir la vibración
El método principal para la eliminación o reducción de la vibración es el diseñar el equipo
de manera adecuada y garantizar el control de las tolerancias durante la fabricación. Otros
métodos para reducir las vibraciones generadas por las máquinas son las siguientes:
• La modificación de los sistemas de modo que la frecuencia de resonancia natural no esté
cerca de la velocidad de operación o de las frecuencias generadas.
• El uso de silenciadores para prevenir reacciones graves.
• Instalación de dispositivos de aislamiento de vibraciones entre subsistemas vecinos.
• Instalación en suelos gruesos, pesados y duraderos para la absorción de vibraciones.
• Usar masas en el equipo para reducir la reacción y absorber la vibración.
• Colgar determinados elementos para reducir las vibraciones.
2.3.2. Fuentes principales de vibración en máquinas rotativas.
Las vibraciones en las máquinas son causadas principalmente por las partes rotativas y
oscilantes. Uno de los principales factores que causan la vibración es el desequilibrio de los
rotores. Un rotor con desequilibrio crea durante su rotación fuerzas centrífugas, dependiendo
de la frecuencia de rotación (ver la figura siguiente):
El desequilibrio U del radio r crea en el rotor que gira con velocidad angular w una fuerza
centrífuga libre F=u*r*w2
Las fuerzas centrífugas debido a desequilibrio junto con las fuerzas variables que actúan
sobre el rotor (por ejemplo, fuerzas hidráulicas, etc. magnéticos) hacen que el rotor y el eje,
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conectado a él, vibren. A través de la capa de aceite de los cojinetes (rodantes y deslizantes) las
vibraciones se transmiten al soporte y los asientos de la máquina. Lo más importante es: la
dureza y la amortiguación de la capa de aceite, el apoyo y el asiento de la máquina, así como la
masa del rotor, del soporte y de los asientos de la máquina.
Rotor
Support R
Machine base
Tipos de vibraciones en máquinas.
a – vibraciones relativas de los ejes; b - vibraciones absolutas de los ejes;
c - vibraciones absolutas de los cojinetes.
En la figura se puede ver los tres tipos de vibraciones que se pueden distinguir:
• Vibraciones relativas de los ejes. Movimientos del eje del rotor en relación con la pieza de
inserción de los cojinetes.
• Vibraciones absolutas de los ejes. Movimientos del eje del rotor en relación con un punto
fijo de forma rígida en el espacio.
• Vibraciones absolutas de los soportes. Movimientos rápidos de la inserción del soporte
con relación a un punto fijo en el espacio.
Tipos de vibraciones y los lugares de su medición (ejemplo de un cojinete de deslizamiento)
a – vibraciones relativas de los ejes
b – vibraciones absolutas de los ejes
c – vibraciones absolutas de los cojinetes
¿Qué tipo de vibraciones hay que medir?
Hoy en día en el estudio de la vibración se tiene en cuenta toda la máquina, no sólo los
cojinetes. La mayor importancia se le da generalmente a la fuente de vibraciones con la mayor
contribución a la vibración total.
Se tiene en cuenta:
• En máquinas con cojinetes de deslizamiento, como turbinas, compresores,
reductores y bombas, la evaluación se realiza sobre la base de la medición de las
vibraciones relativas de los ejes.
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• En las máquinas con rodamientos, como instalaciones de aire, centrífugas y
molinos, la información más útil se obtiene midiendo las vibraciones absolutas de los
cojinetes.
а)
b)
c)
Influencia de la relación de las masas del rotor y el rodamiento:
M1 masa del rotor. M2 masa del rodamiento
Si en una estructura de soporte se aumenta la masa del rotor, las vibraciones relativas de
los ejes disminuyen, y las vibraciones absolutas de los cojinetes aumentan. La figura anterior
muestra la dependencia de las vibraciones en las masas de los rotores y los cojinetes.
¿Cuándo utilizar el desplazamiento, la velocidad o la aceleración?
El desplazamiento puede ser el parámetro más útil de las vibraciones cuando las
frecuencias de vibración son menores de 10Hz. Sin embargo, para aplicarse con vibraciones más
altas, el desplazamiento se tiene que considerar en relación con la frecuencia. El diagrama en la
siguiente figura da una idea del nivel de severidad en términos de desplazamiento y la
frecuencia.
Varias empresas producen un conjunto de sensores para medir el desplazamiento, velocidad
y aceleración, que están especialmente diseñados para ser utilizados en una amplia gama de
seguimiento y análisis de los equipos disponibles a disposición.
La aceleración se utiliza sobre todo con la frecuencia de vibración más de 1 Hz. Como en el
caso anterior, aquí la frecuencia se debe tomar en relación con el nivel de aceleración. La figura
muestra la relación entre la aceleración y la frecuencia.
La velocidad es el parámetro de vibración que se utiliza con más frecuencia y es
relativamente independiente de la frecuencia de vibración en el rango de 10 Hz a 1 Hz. Es útil
para el seguimiento de las máquinas rotativas lentas.
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Clases de evaluación de la vibración
La tabla siguiente presenta los tipos de equipos y de los niveles de los estados: BUENA,
ÚTIL, PRECAUCIÓN, NO USAR.
CLASE I: Separa las piezas de motores y las máquinas, asociado de con la máquina entera.
CLASE II: MÁquinas medianas y grandes (usualmente motores eléctricos de potencia de 15 hasta
75kW potencia).
CLASE III: Grandes motores y otras grandes máquinas con masa giratoria montada en un asiento
duro y pesado. (300kW de potencia).
CLASE IV: Grandes motores y otros grandes equipos o turbinas con masas giratorias
relativamente ligeras montadas en asientos de la máquina.
2.3.3. Los métodos de monitorización, análisis y diagnóstico de vibraciones
Monitorización, análisis y diagnóstico.
Los conceptos de monitorización, análisis y diagnóstico de vibraciones están relacionados
entre sí, pero también tienen algunas diferencias.
Monitorización de vibración. Se entiende la observación de los cambios en las vibraciones
de la máquina y el análisis de las razones de este cambio.
Se tiene el diagnóstico de vibraciones cuando los defectos se encuentran e identifican (por
tipo y valor) en la máquina o instalación investigada.
La principal diferencia entre la monitorización y el diagnóstico es que la vigilancia no está
dirigida a la búsqueda de defectos en las primeras etapas de funcionamiento de la máquina. Su
objetivo es encontrar en los defectos graves en el tiempo, lo que requiere una vigilancia
constante de las vibraciones en los intervalos relativamente pequeños (segundo o incluso
fracciones de segundo)- con el objetivo de no perder los defectos que varían rápido, lo que
puede dar lugar a consecuencias catastróficas. En este caso, con el objetivo de reducir la
memoria necesaria para guardar los datos, se utiliza un pequeño número de sensores, sólo en
los lugares donde se espera obtener información sobre cómo se desarrollan rápidamente
defectos.
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El objetivo del diagnóstico es la detección de fallas y defectos en una fase anterior de la
vigilancia y la previsión de su desarrollo, así como la planificación de una reparación oportuna
de la máquina. Esto requiere la colocación de un mayor número de sensores en todos los
puntos de control de la máquina, lo que aumenta la memoria necesaria para guardar los datos y
complica el objetivo de diagnóstico.
El análisis de vibración se lleva a cabo en ambos casos, aunque con el diagnóstico se
requiere la aplicación de métodos y dispositivos matemáticos más grandes para llevar a cabo
este análisis. En este caso se utilizan los métodos siguientes: el análisis de ondas en el tiempo,
análisis de frecuencia, relacionada también con un análisis transformada rápida de Fourier (FFT),
análisis de tendencias, análisis de fase, el análisis envolvente y el tratamiento estadístico de los
resultados etc.
Aquí están los métodos de diagnóstico más comunes utilizados para evaluar el estado de las
máquinas y equipos:
• Mediciones y análisis de vibraciones.
• Desplazamiento, expansión y procesamiento de los valores medidos.
• Análisis del lubricante (por ejemplo, con la ayuda de un espectroscopio, ferroscopio,
métodos de radioisótopos).
• Medida de la temperatura, la velocidad y la fase.
• Examen óptico (por un endoscopio o un microscopio).
• El control no destructivo (por ejemplo, por ultrasonidos, rayos X).
Frecuencia y tiempo de medidas y espectros
Tipos de mediciones de vibración. Como ya se ha mencionado, las principales variables
medidas en caso de vibraciones son las siguientes:
• El desplazamiento de la vibración o la desviación "s" (en µm o milímetros) = desviación
de los puntos de medición forman el estado de reposo.
• Velocidad de vibración "V" (en milímetros) = la velocidad del movimiento del punto de
medición en todo el estado de reposo.
•
Aceleración de la vibración "а" (en m/s2) = la aceleración por la cual el punto de medida
se mueve alrededor del estado de reposo.
• Características de las vibraciones constituyentes:
Investigación en un dominio de frecuencia estrecho. La extracción de armónicos (por
ejemplo por medio de un analizador de frecuencia o filtros de seguimiento).
• Investigación en un dominio de frecuencia ancha. Sumando las estructuras en un
dominio de de frecuencia dado (por ejemplo 10… 1000 Hz).
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Estudio de la frecuencia. La siguiente figura muestra los valores de amplitud en una
medición de la vibración (de forma sinusoidal ideal - véase la figura anterior).
En caso de vibraciones con más componentes, la imagen se vuelve más complicada (la
figura siguiente).
A partir de una escala de tiempo, podemos ir a una escala de frecuencia. La siguiente figura
ilustra la representación de una forma sinusoidal ideal de las vibraciones, y una forma
compuesta de dos componentes de frecuencia con una forma cercana a la rectangular.
Podemos ver que el número de componentes de frecuencia (las armónicas) aumenta junto
con el aumento de la desviación de la forma sinusoidal y de la aproximación a una forma
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rectangular. Los valores exactos de los coeficientes de las amplitudes de las componentes
armónicas individuales en el espectro de frecuencia se obtienen por medio de una transformada
de Fourier ordinaria o rápida.
Después de la acumulación de una cantidad suficiente de datos, se pueden construir los
espectros de la velocidad, la aceleración y el desplazamiento (ver la figura siguiente).
Líneas divisorias en el espectro de frecuencias. Son líneas verticales individuales, colocadas
unas próximas a otras a lo largo del eje de frecuencia. Cada línea se utiliza para guardar la
amplitud individual de frecuencia específicas (la siguiente figura).
Selección del tipo del parámetro medido. A continuación se dan las condiciones
recomendadas para la selección del parámetro:
• El desplazamiento de vibración: máquinas con velocidad alrededor de 600 rpm (10 Hz),
vibraciones estructurales o movimientos relativos (vibraciones del eje) o en el cuello en
las máquinas con cualquier velocidad.
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•
Velocidad de vibración: Vibraciones de máquinas con velocidad de más de 600 ciclos por
minuto (10 ... 1000 Hz).
• Aceleración de las vibraciones: Vibraciones con frecuencias de más de 2000 Hz.
El propósito es usar los mismos datos y comparar los espectros de la velocidad de vibración
y aceleración de la vibración. La siguiente figura presenta dos espectros de este tipo con los
mismos datos sobre el mismo rodamiento de la máquina. Algunas vibraciones de baja
frecuencia, como desequilibrios, mala alineación en el montaje, etc. se muestran mejor
mediante el espectro de velocidad, mientras que vibraciones de alta frecuencia, como defectos
en el rodamiento, grietas, etc. se pueden ver mejor en el espectro de aceleración.
a) Espectro de velocidad.
b) Espectro de aceleración.
Mediciones de fase y el análisis de fase
Es una técnica de diagnóstico, que permite llegar rápidamente a la fuente de la mayoría de
las vibraciones. Es quizás una de las técnicas de diagnóstico más potentes. Este tipo de análisis
no ha tenido suficiente reperucisón hasta ahora y, por tanto, no es habitual encontrar
información al respecto. Esta técnica se conoce como análisis de fase.
¿Qué es la fase? Fase es la posición de una parte giratoria en cualquier momento respecto
a un punto fijo. La fase nos da la dirección de las vibraciones. Un ejemplo sería la alineación del
sistema del encendido del automóvil utilizando una fuente de luz punto (luz estroboscópica) y
un sensor inductivo.
El estudio de la fase en una máquina o de la estructura se realiza mediante la recopilación
de datos de una medición de fase para obtener información sobre el movimiento relativo entre
los componentes. En el análisis de la vibración de la fase se mide con la ayuda de técnicas
absolutas o relativas.
La fase absoluta se mide con un sensor y un tacómetro (rpm) usando un marcador para el
eje de rotación. En cada punto de medición el analizador calcula el tiempo entre la señal de
inicio del tacómetro y el siguiente pico positivo de la señal de vibración. Este intervalo de
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tiempo se convierte en grados y se muestra como fase absoluta (ver las dos figuras a
continuación). La fase se puede medir a la frecuencia de rotación del eje o múltiplo del mismo.
Se requiere la fase absoluta para equilibrar el rotor.
Tapa
reflectante
Tacómetro
La fase relativa se mide mediante un analizador de vibración multicanal por medio de dos o
más sensores de vibraciones idénticos. El analizador tiene que estar en condiciones de medir la
fase entre los diferentes canales. Un sensor uniaxial sirve como un soporte y se coloca en
cualquier parte de la máquina (por lo general en la carcasa del cojinete). Otro sensor uniaxial o
triaxial se sustituye de forma secuencial en los demás puntos de prueba (siguiente figura). En
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cada punto de prueba del analizador compara las formas de onda de entre los sensores fijos y
móviles. La fase relativa es la diferencia en el tiempo entre las formas de onda de frecuencia
específica, convertida en grados (siguiente figura). La fase relativa no requiere un tacómetro y
se puede medir en cada frecuencia.
Sensor móvil
Sensor fijo
Ambos tipos de medición de fase son fáciles de realizar. La fase relativa es la forma más
conveniente de la medición de la fase, ya que la máquina no necesita estar parada para instalar
una cinta reflectante al eje. La fase se puede medir en cada frecuencia. La mayoría de los
analizadores de vibración de un canal pueden medir la fase absoluta. Los analizadores de
vibración de múltiples canales (como la que se muestra en la figura siguiente - Pruftechnik
VIBXPERT) tienen todas las funciones estándar para la medición de fase absoluta y relativa.
¿Cuándo utilizar el análisis de fase?
Siempre hay necesidad de análisis de fase. El estudio de fase debe llevarse a cabo en
máquinas problemáticas cuando la fuente de vibraciones excesivas no está clara o cuando es
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necesario para confirmar la sospecha sobre una fuente particular. Los estudios de fase se
pueden hacer sólo en los cojinetes de la máquina o pueden incluir puntos en toda la máquina
(desde los asientos de los cojinetes). A continuación se presentan ejemplos de cómo las
medidas de fase pueden ayudar a análisis de vibraciones.
Pata coja
El término pata coja se utiliza para describir una curvatura de la estructura de la máquina.
Puede ser causado cuando el asiento de un motor, una bomba u otro componente no es plano,
cuadrado y montado de forma rígida, así como en el caso de muchas otras cosas, como, por
ejemplo, errores de la máquina curvadas o patas torcidas y las superficies de montaje no planas.
El pata coja aumenta las vibraciones y crea gran carga en rodamientos, obturaciones y
acoplamientos. Por medio de un buen sistema de láser se puede ajustar la posición del eje para
comprobar si se trata de un pata coja aflojando las patas de la máquina de una en una.
Fase de medición se puede utilizar para la identificación de un pata coja, mientras que la
máquina está en acción. Se mide la fase vertical entre el asiento y la superficie montada. Si la
conexión está apretada, el ángulo de fase es la misma. Si la diferencia de fase es mayor que 20
grados, significa que el asiento se afloja o el bastidor de la máquina está agrietado o es
quebradizo. La siguiente figura es un ejemplo de desplazamiento de fase en pata coja.
Rodamiento inclinado y ejes doblados
La fase en 4 puntos axiales se mide alrededor de la caja de cojinetes. Si el cojinete se inclina
o el eje está doblado, la fase será diferente en cada punto. Si el eje es recto y el cojinete está en
posición normal, la fase es casi la misma en todas partes (la figura siguiente).
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Confirmación de desequilibrio
Si hay vibraciones radiales por cada revolución, por lo general significa desequilibrio del
rotor. Una vez más la medida de fase se utiliza para demostrar que el problema es desequilibrio.
La horizontal y la fase vertical del eje o el alojamiento del cojinete se miden. Si la diferencia
entre los valores de fase es de aproximadamente 90 grados, el problema es desequilibrio del
rotor (la cifra por debajo de este párrafo). Si la diferencia de fase está más cerca de 0 o 180
grados, las vibraciones son causadas por fuerzas reactivas. Rodillo de leva y la mala alineación
del eje son ejemplos de fuerzas reactivas.
Holguras, dobleces o torceduras
La medición de fase se utiliza para detectar conexiones sueltas (grietas) de las estructuras y de
flexión o torsión debido a la debilidad o la resonancia. Con el fin de comprobar si hay holgura
medimos la fase vertical de cada conexión mecánica, como se señala con flechas en la figura
siguiente. Si las conexiones están flojas, no habrá cambio de fase de 180 grados. El ángulo de
fase no varía si la conexión es buena
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.
Mala alineación (desalineación) del eje
La desalineación del eje es de fácil comprobación mediante mediciones de fase. Se mide la fase
de cada cojinete en dirección horizontal, vertical y axial. Los valores se registran en una tabla o
un diagrama de burbujas, como se muestra en la figura siguiente. Las fases horizontales se
comparan de cojinete de rodamiento para cada componente y a través del conector. A
continuación, la comparación se hace con los datos sobre la fase en la dirección vertical y axial.
En caso de una buena alineación del eje no habrá ninguna diferencia significativa entre los
cojinetes o a través del conector. La máquina en este caso tiene 180 grados de desplazamiento
de fase a través del conector en direcciones radiales. Las direcciones axiales están en fase a
través de la máquina. Los datos muestran el desplazamiento paralelo del eje.
2.3.4. Tipos de técnicas de análisis de vibraciones
Tipos de análisis
Varios enfoques se utilizan en los vibrodiagnósticos:
• El análisis de tendencias
• Análisis comparativos
• Análisis de Firma
• Otros métodos
El análisis de tendencias
La mayoría de los programas para el control de las vibraciones se basan principalmente en
la historia de la tendencia del cambio de los valores de la amplitud de las vibraciones como su
instrumento dominante para el análisis.
Se utilizan los valores conocidos, obtenidos a partir de la señal de vibración, como valor
medio, valor máximo, el swing (pico a pico), raíz media XRMS cuadrado de valor, y un
coeficiente de exceso o simplemente exceso de K (curtosis).
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El exceso de K (curtosis) es una medida de la nitidez de pico de la distribución. Por otra
parte, la distribución estudiada se compara con una distribución de referencia - la distribución
gaussiana normal. Un valor de exceso por debajo de cero significa, que el pico de la distribución
está por debajo del pico de la distribución de referencia y esto se llama exceso de obtuso y
viceversa, un valor por encima de cero significa que el pico de la distribución está por encima del
pico de referencia y esto se llama exceso agudo.
Factor de cresta
El método más simple para medir defectos en el dominio del tiempo es utilizar RMS. Sin
embargo, el valor de RMS no puede mostrar cambios considerables en las primeras etapas de
fallas en máquinas y estructuras. En estos casos una medida mejor es usar el llamado factor de
cresta, que se define como la relación entre el nivel más alto de la señal de entrada y el nivel de
RMS. Por lo tanto, si hay picos en la señal en el dominio del tiempo, aumentará el valor de este
factor.
Factor de cresta = Nivel de pico / RMS
En funcionamiento normal, el factor de cresta puede alcanzar un valor entre 2 y 6. Un valor
superior a 6 suele estar relacionada con problemas en la máquina.
Análisis comparativo compara directamente dos o más conjuntos de datos para establecer
los cambios en la condición de trabajo de la máquina. Como base de comparación se utilizó el
nivel de salida de los estándares de la máquina o industriales.
La línea de base para la comparación debe ser actualizada después de mantenimiento o
reparación.
Análisis de firma asegura que los datos particulares sobre cada componente en el dominio
de la frecuencia común de funcionamiento de la máquina.
Firma análisis es una importante herramienta de análisis, pero se requiere una gran
cantidad de memoria para guardar los datos de las mediciones. Aunque es posible registrar
datos de la firma, que se suelen registrar en los alrededores de una o más velocidades de
movimiento.
Las mediciones se pueden realizar en todo el dominio de la frecuencia o en una banda
frecuencia estrecha dependiendo del caso particular.
Envolvente. Desmodulación
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La envolvente se utiliza para monitorizar la respuesta de alta frecuencia del sistema
mecánico en crisis periódicas o impactos en los engranajes de dientes o cojinetes. Cada vez que
los contactos de rodamientos cargados una sección contactan con otra superficie del cojinete o
cuando un diente hace contacto con otro, se produce un impulso. Este impulso tiene una
pequeña duración en comparación con el intervalo entre los impulsos. La energía de este
impulso se distribuirá como un nivel muy bajo en todo el rango de frecuencias. Esto hace que
sea difícil encontrar los defectos en los cojinetes o engranajes por medio del análisis espectral
convencional, cuando están en presencia de vibraciones de ruedas dentadas y otros
componentes de la máquina. Afortunadamente, el impacto por lo general provoca una reacción
de mayor frecuencia que la frecuencia de las vibraciones, causadas por los otros componentes.
Esta energía normalmente se concentra en una banda estrecha, que es fácil de detectar entre la
energía ampliamente distribuida de el resto de las frecuencias.
En caso de desgaste y la rotura de un diente, que se espera que tenga la disponibilidad de
bandas laterales aumentó en la proximidad de las frecuencias críticas tales como la frecuencia
de salida del eje. El espectro completo contiene valores muy altos de señales periódicas,
relacionadas con las frecuencias del defecto.
El método de la envolvente se centra en la resonancia estructural para determinar la
condición de la marcha - si es bueno o si hay un defecto en el cojinete o los dientes. Esta técnica
consiste en el procesamiento de la señal obtenida alrededor de esta frecuencia de resonancia
de manera que se obtiene la envolvente de esta secuencia de impulsos, que es, de hecho, la
desmodulación de esta señal de alta frecuencia. La resonancia estructural se elimina mediante
un filtro de paso de banda cuya frecuencia central es elegida para que coincida con la
resonancia, y se trata con un detector de curvas (detector de envolvente), que consiste en un
rectificador de onda media, una memorización detectora de pico y un circuito de suavizado. Un
simple detector - desmodulador de este tipo - se muestra en la siguiente figura.
(Información más detallada acerca de los métodos de análisis en los engranajes de los dientes se
puede encontrar en [Mitchell Lebold etc., “REVIEW OF VIBRATION ANALYSIS METHODS FOR
GEARBOX DIAGNOSTICS AND PROGNOSTICS”])
La medición de la forma de deflexión de funcionamiento - ODS - y el análisis modal
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¿Cuál es la forma de funcionamiento de deflexión – ODS? Tradicionalmente ODS se define
como una desviación de una estructura dada en la máquina a una cierta frecuencia. Sin
embargo, ODS se puede definir de forma más general como el movimiento forzado de dos o
más puntos a partir de una estructura dada. Determinar el movimiento de dos o más puntos define
la forma. En otras palabras, la forma es el movimiento de un punto en comparación con el resto de los
puntos. El movimiento es un factor cuantitativo, lo que significa que tiene una posición y dirección
definida, relacionada con él. Esto se conoce como grado de libertad DOF.
¿Por qué debemos medir ODS? La medición de ODS puede ayudar a responder las siguientes
preguntas, relacionadas con las vibraciones:
•¿Cuánto se mueve la máquina?
•¿Dónde se mueven más y en qué dirección?
• ¿Cuál es el movimiento de un punto con respecto a otro (ODS)?
• ¿Están excitados los eventos de resonancia? ¿Qué significa el cambio de forma ?
•¿La estructura dada causar ruido?
• ¿Pueden las medidas correctivas reducir los niveles de ruido o vibraciones?
Vibraciones forzadas y de resonancia
Las vibraciones son frecuentemente combinaciones de dos tipos de vibraciones: forzadas y
de resonancia. Las vibraciones forzadas pueden ser debidas a:
• Las fuerzas generadas internamente;
• desequilibrios;
• Las cargas externas;
• excitación externa.
La forma deflexión operativa (ODS) contiene la vibración común para dos o más grados de
libertad (DOF) de una máquina o una estructura. Esto significa que las ODS contienen tanto
vibraciones forzadas como componentes de resonancia. Por otro lado, el modo de la forma
caracteriza sólo la vibración de resonancia en dos o más DOF.
¿Qué es la resonancia? El fenómeno que se produce en la alineación de la frecuencia v de
la fuerza externa y la frecuencia v0 de las oscilaciones del sistema y se expresa como un fuerte
aumento de la amplitud de las oscilaciones forzadas se llama resonancia.
El nivel al que la amplitud de las oscilaciones forzadas aumentará en resonancia depende de
las fuerzas que actúan de fricción y la resistencia en el sistema (amortiguación). Cuando son
pequeños, la amplitud se puede multiplicar. Cuando son grandes, sin embargo, el aumento de la
amplitud es insignificante - se evita la resonancia.
La resonancia puede tener consecuencias desfavorables, ya que es posible que las una gran
amplitud de oscilaciones conduzcan a la destrucción de las máquinas y equipos, en los que ha
surgido. La disponibilidad de resonancia en tornos y otras máquinas herramienta conduce a su
rápido desgaste y fuerte deterioro de su exactitud del trabajo. Frecuencias naturales de
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vibración del casco del buque deben ser radicalmente diferente de las frecuencias de las
oscilaciones que causan los motores y los tornillos. De lo contrario, fracturas o fisuras pueden
aparecer en el casco. Lo mismo se aplica para todos los otros vehículos, puentes, edificios y
otras instalaciones. Especialmente peligrosos son los fenómenos de resonancia para los edificios
durante los terremotos. Las maneras de evitar los efectos nocivos de la resonancia son dos:
• Para la construcción de instalaciones y máquinas, de tal manera que sus propias frecuencias naturales
sean totalmente diferentes de las frecuencias de las oscilaciones forzadas.
• Implementar sistemas y dispositivos de amortiguación, con la intención de reducir el nivel de
vibraciones de resonancia por debajo del nivel tolerable.
La siguiente figura muestra dos velocidades críticas de rotación, por lo que se producen
fenómenos de resonancia y de la zona de elección de una velocidad de funcionamiento.
La vibración de resonancia generalmente amplifica la respuesta a la vibración de la máquina
o la estructura mucho más allá de los niveles diseñados de carga estática. La vibración de
resonancia es la razón, o, al menos, un factor importante, para muchos de los problemas
relacionados con las vibraciones y se produce en las instalaciones de trabajo y máquinas. Para
entender todos los problemas de vibración estructural, debemos identificar las resonancias en
la estructura. Un método común es definir los nodos de vibración de la estructura dada. Cada
modo está definida por una frecuencia natural (modal), y la atenuación natural(modal) una
forma del modo. Este tipo de análisis lleva el nombre de análisis modal.
Análisis modal
El análisis modal es un método eficiente para la definición de las características dinámicas
de las construcciones de las máquinas e instalaciones. Se puede llevar a cabo teóricamente por
medio de los métodos de modelado matemático y ordenador y experimentalmente se basa en
los resultados de las mediciones y análisis de vibraciones mecánicas forzadas. La conexión de
sensores de fuerza y aceleración con un analizador da posibilidades para medir
simultáneamente el impacto de las vibraciones forzadas y la respuesta a la vibración de la
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construcción investigada. Después se obtienen los resultados del procesamiento, por medio de
los cuales las características dinámicas de la máquina investigada pueden ser definidas. Esta
información se puede utilizar para cambiar la construcción de una máquina, así como para su
seguimiento durante el funcionamiento. Como resultado del trabajo prolongado varias grietas,
la deformación por la fatiga y otros defectos pueden ocurrir en la construcción, que puede
cambiar sus características dinámicas sin cambiar sus dimensiones. Este método es
ampliamente utilizado en el estudio de diversos tipos de construcciones - desde álabes de la
turbina hasta los vagones de ferrocarril.
La catástrofe del puente de la imagen siguiente es un ejemplo típico de las consecuencias de
los fenómenos de resonancia. El 7 de noviembre de 1940, el puente colgante Tacoma Narrows
(cerca de Washington) se derrumbó debido a las vibraciones inducidas por el viento. Por las
mismas razones, está prohibido que grupos de personas (soldados, estudiantes) marchen en
puentes. [Patrick Guillaume, Modal Analysis]
Cuando las construcciones son demasiado complejas, el llamado análisis modal operacional se
lleva a cabo en el lugar del análisis modal tradicional. Durante este tipo de análisis sólo la
reacción de salida de la construcción se utiliza por su medición en condiciones normales de
explotación. Entonces, mediante el uso de algoritmos computacionales avanzados los
parámetros modales se definen bajo diversas cargas, que muestran las fuerzas reales y los
niveles de vibraciones en condiciones de contorno reales. El análisis modal operacional es una
herramienta muy eficaz en aplicaciones de aviación.
Las fotos de abajo muestran la prueba de modelos de un pequeño avión “Chesna” (a) y un avión
de pasajeros Airbus A380 (b) en condiciones de viento fuerte.
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Frecuencias críticas
Para cada máquina o instalación sus frecuencias críticas dependen de su construcción, de
los materiales utilizados, etc.
No podemos entrar aquí en detalles acerca de la teoría y la práctica del análisis modal. Una
información más detallada sobre este tema se puede encontrar en los siguientes materiales:
http://mech.vub.ac.be/avrg/publications/ModalAnalysis.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Modal_analysis
http://macl.caeds.eng.uml.edu/macl-pa/modes/modal2.html
Medidores ODS (Forma de funcionamiento de deflexión)
Los parámetros de vibración de una máquina o de la estructura se obtienen generalmente a
partir de señales en el dominio del tiempo o funciones en el dominio de la frecuencia, se
calculan a partir de las señales recibidas. Por medio de un analizador de FFT multi-canal de las
respuestas las vibraciones de una máquina se miden en muchos puntos y direcciones (DoFs) por
sensores sensibles de movimiento. Las señales de los sensores se mantienen en la memoria del
analizador en bloques de datos - un bloque de datos para cada DOF medido.
ODS deben ser definidos por cada movimiento forzado, ya sea en un momento de tiempo, o
en una determinada frecuencia. Por las respuestas de los extractos de tiempo o los extractos de
frecuencia calculada por ordenador (mediante FFT) se define la forma de deflexión de
funcionamiento:
Deflexión de funcionamiento de Forma: Los valores de un conjunto de respuestas en el
dominio del tiempo en un tiempo definido o los valores de un conjunto de respuestas en el
dominio de la frecuencia a una frecuencia determinada.
Ejemplos de mediciones ODS en el dominio de frecuencia y dominio del tiempo se
muestran a continuación junto con los gráficos correspondientes.
Respuestas medidas en el dominio del tiempo:
• Aleatorio;
• Impulso;
• sinusoidal;
• Externa.
21
La figura muestra una pantalla con una serie de medidas de impulso.
Tiempo de dominio ODS Desde Respuestas a Impulsos
Respuestas medidas en el dominio de la frecuencia:
• espectro lineal (FFT).
• espectro de potencia automático (de APS).
• El espectro de potencia de la Cruz (de XPS)
• FRF (Funciones de respuesta en frecuencia).
• ODS FRF.
La siguiente figura muestra en su pantalla un conjunto de respuestas medidas en el dominio
de la frecuencia.
22
Dominio de la Frecuencia ODS de un conjunto FRFs
(Una información más detallada acerca de los métodos de medición ODS se pueden encontrar
en http://systemplus.co.jp/support/data/techpaper/mescope/tech/29.pdf).
2.3.5. Medios técnicos de estudio de las vibraciones
Vibrómetros and acelerómetros
Los medios técnicos y los métodos utilizados para la medición de vibraciones se basan en
diferentes principios físicos y por lo general tienen un cierto dominio de uso. Básicamente, los
dispositivos para la medición de vibraciones pueden ser: vibrómetros, la medición de las
oscilaciones mecánicas, acelerómetros, la medición de aceleraciones, o vibrógrafo, por medio
de la cual parte o todo el proceso de estudio se registra. Un requisito básico hacia las
vibrómetros y acelerómetros es que no distorsionan el proceso de medición. Por ejemplo, no
aumentan la masa y no cambian su frecuencia natural. Otro requisito es seguimiento no inercial
del proceso oscilatorio.
En la práctica los vibrómetros inductivos encuentran una aplicación más amplia desde todos
los convertidores de medición de la amplitud de los procesos oscilatorios. Es característico de
ellos que permitan la medición de las vibraciones desde las superficies vibrantes de los sistemas
mecánicos. Están considerados apropiado para medir grandes vibraciones. No se recomiendan
para la medición de pequeñas vibraciones, ya que tienen baja sensibilidad y relativamente una
23
gran de error, debido a la disipación del flujo magnético en el espacio, corrientes de Foucault,
histéresis magnética, etc.
Todos los convertidores, encuentran aplicación en la medición de fuerzas, podrían ser
utilizados como acelerómetros. Los acelerómetros, desarrollados sobre la base del principio
piezoeléctrico y por cable Tenso-convertidores. Por lo general, como inconvenientes en el uso
de acelerómetros Tenso-métricos se menciona el uso individual de los Tenso-sensores, así como
la influencia de la temperatura sobre la exactitud de la medición, la aparición de la fatiga en el
material de la tenso-sensor en el ciclo de inicio de sesión cambiando la carga etc. Las ventajas:
simplicidad constructiva, tamaño miniatura, posibilidad de medir grandes en los procesos de
valor de vibración, etc.
Método de contacto y sin contacto
Todos los métodos para la medición de vibraciones se pueden dividir en dos grupos contacto y sin contacto. Los métodos de contacto sugieren conexión mecánica entre sensor y el
objeto investigado, mientras que en métodos sin contacto, respectivamente, no hay una
conexión. Un ejemplo de los métodos de contacto es el registro de las vibraciones por medio de
sensores piezoeléctricos. Estos sensores permiten la medición muy precisa de las vibraciones en
el dominio de frecuencias bajas y relativamente grandes amplitudes. Estas no son apropiadas,
sin embargo, para la medición de vibraciones con alta frecuencia y pequeña amplitud debido a
su inactividad, lo que lleva a la distorsión de la forma de la señal. Si la masa del objeto
investigado y su inactividad no son muy grandes, estos sensores puede influir significativamente
en el carácter de vibraciones, y esto conduce a un error adicional en mediciones.
En su conjunto, los métodos de contacto son fáciles de usar, y se caracterizan por costes
relativamente bajos y una buena precisión de la medición. Sus desventajas son: el nivel
relativamente bajo de las señales eléctricas, sus propios ruidos, cambios de sensibilidad en el
transcurso del tiempo, la imposición de una calibración periódica, la baja estabilidad mecánica
etc.
Dado que el contacto inmediato entre el sensor y el objeto investigado no siempre es
posible, se presta especial atención al desarrollo de métodos sin contacto de medición. Entre
sus ventajas son la falta de impacto en el objeto investigado y su despreciable inactividad, lo
que permite evitar algunos inconvenientes básicos de los métodos de contacto. La información
a diferentes distancias, en virtud de cualquier modo y en diversas condiciones del entorno de
trabajo se puede conseguir por este método. Como regla general, los métodos de medición sin
contacto se basan en el examen del objeto mediante el sonido y las ondas electromagnéticas.
Los métodos, que se utilizan son en su mayoría de ultrasonidos, ópticos y métodos de la onda
de radio.
Sensores usados
24
Ya quedó claro que los métodos y sensores para la medición de vibraciones son muy
diferentes. Se pueden utilizar sensores resistivos, capacitivos, inductivos, piezoeléctricos entre
otros. Los métodos ópticos son muy populares también. Se puede utilizar incluso la
interferencias de la luz. El tipo de sensor depende de la aplicación particular. Sensores
inductivos, piezo-sensores y tenso-sensores están entre los más populares. La siguiente tabla
explica los principios de funcionamiento y las principales características de los tres tipos de
sensores.
SENSOR
PRINCIPIO
PARTICULARIDADES
La mayoría de sensores con dos
bobinas se utilizan con el fin de
Cambio del inductancia de una
tener una linealidad mejorada y
Inductivo
bobina (devanado) al mover su
para compensar la influencia de los
núcleo ferromagnético
factores circundantes y
principalmente la temperatura
Cambio de las dimensiones de un
Los siguientes materiales que se
cristal junto con los cambios en el
utilizan son: cuarzo natural, sal de
campo eléctrico (utilizado para la
Rochelle, sulfato de litio, algunos
materiales cerámicos, etc.
generación de señales de sonido y
Piezo-eléctrico
Los valores típicos de la sensibilidad
ultra-sonido). Cuando el cristal se
deforma en una dirección adecuada, son: 0,5-50 mVs2/m a un rango de
se genera la carga eléctrica, que es
frecuencia a 0,1 Hz hasta 200 kHz.
proporcional a la aceleración.
Se utilizan resistencias, que son
Estos están hechos de materiales de
sensibles a la deformación. Cuando
muy bajo coeficiente de
sus dimensiones cambian, cambian
temperatura (cero). Su construcción
Tenso-sensor
la resistencia debido al cambio de la es generalmente de un tipo, que les
longitud y la sección transversal del
permite ser sensible solamente en
conductor, del que está hecho.
una dirección.
[Fuente: journal Engineering review]
Tipos de sensores y su construcción
Vamos a considerar en detalle a continuación algunos tipos de sensores y su construcción.
Se han dado ejemplos de sensores, fabricados por la empresa Trolex.
Piezo-eléctricos de medición de la aceleración
El acelerómetro piezoeléctrico es ampliamente utilizado para la medición de vibraciones. Su
construcción consiste en un cristal de material piezoeléctrico, con masa sísmica (ver la figura
siguiente). Cuando el cristal está sujeto a la presión, que genera la carga eléctrica, que es
proporcional a la aceleración que sufre. Un circuito eléctrico interno convierte esta señal en una
tensión (mv/g) o corriente en la salida (4-20mA) en el sistema para la recopilación o ciclos de
datos para el control de los procesos.
25
1.Tornillo de montaje
2.Base asiento de Cristal
3.Piezo eléctrico
4.Masa
5.Cable blindado enrollado
Este tipo de dispositivo tiene buenas propiedades, no hay partes móviles y ofrece una larga
vida útil y fiabilidad. Cuenta con una amplia frecuencia y rango dinámico y las señales se pueden
integrar para la obtención de los valores de la velocidad y el desplazamiento.
Los acelerómetros de este tipo suelen ser más baratos en comparación con los alternativos
y, por tanto, están a disposición de un grupo más amplio de aplicaciones pesadas, por ejemplo,
de alta temperatura, sistemas sumergibles y sistemas, que trabajan en ambientes corrosivos.
Acelerómetros piezo-resistivos
Los sensores piezo-resistivos controlan la fuerza aplicada al haz, utilizando Tenso-sensores.
El rango de frecuencia de estos dispositivos es menor que en sensores piezoeléctricos, pero
tienen la ventaja de que los niveles estáticos o DC de aceleración pueden ser controlados por
medio de estos.
Estos sensores no son tan buenos como los piezoeléctricos, no son tan populares y son más
caros. La figura a continuación presenta la visión general de un sensor de este tipo.
La tecnología piezoeléctrica es la base de sensores de vibración TX5630, producidos por la
empresa Trolex. Tienen una salida de tensión estándar de100mV/g estándar para corriente
alterna o corriente de salida 4-20mA correspondiente a una cierta velocidad o un rango de
amplitudes de la aceleración.
Sondas de corrientes de Foucault
Las sondas, sobre la base de las corrientes parásitas (corrientes de Foucault) dan la
posibilidad de controlar el desplazamiento por un método sin contacto. (ver figura abajo). Las
sondas de corrientes de Foucault son ampliamente utilizados para la medición de distancias
(desplazamientos) de máquinas estáticas y rotativas. Se pueden medir por un método sin
contacto, tanto vibraciones de CA y la diferencia constante. La simplicidad de la sonda permite
su uso en condiciones duras.
26
(ver http://www.measurecentral.com/technology/inductive.php y http://phys.tusofia.bg/ef/Phys%202/Lektzii/Magnetizum/9%20vupros.pdf )
Ventajas de la inducción (con corrientes de Foucault) sistemas de medición:
• Sin contacto
• Banda de alta frecuencia de hasta 80 KHz
• Bajo nivel de ruido
• La resolución del nanómetro
• Gran linealidad
• Bajo coeficiente de temperatura
• Insensible a la humedad y la contaminación del medio ambiente
• Vacio compatible
• concepción modular de sensores
Los sensores de contacto de desplazamiento
Hay un número de diferentes tipos de sensores de contacto de desplazamiento. Los más
populares son los que tienen transformador diferencial lineal variable (LVDT). Las figuras
siguientes muestran la construcción de la bobina y la conexión de un sensor.
27
A partir de la figura de abajo se ve claramente cómo funcionan los sensores LVDT. Los valores de la
tensión de salida se muestran para una máxima izquierdo, medio y derecho posición máxima de
desplazamiento.
28
La siguiente figura muestra cómo se utiliza un sensor de este tipo. El uso de estos sensores se limita a
algunas aplicaciones específicas debido a la necesidad de contacto directo con la superficie investigada.
Uso del diagrama de Bode y Polar
El análisis de vibraciones a menudo usa las herramientas para la representación de los
resultados de la misma en una vista gráfica. Por medio de estos trazadores la resonancia puede
ser detectada y el comportamiento dinámico se puede analizar. Ejemplos útiles y la ilustración
de la utilización de estos trazadores se dan en:
http://freevibrationanalysis.blogspot.com/2011/08/bode-and-polar-plot.html
El uso de diagramas de cascada 3D
Estos son los esquemas de los espectros de vibración, son de tres dimensiones. Por lo tanto,
a lo largo del eje vertical se extrae la amplitud, a lo largo de la horizontal la frecuencia y a lo
largo del tercer eje se da la velocidad de rotación. Este diagrama actualmente sustituye a los
otros dos tipos de diagramas.
El laboratorio en Sunics ofrece una interesante metodología para el análisis de los espectros
de vibración mediante el uso de diagramas similares y la posterior codificación por colores e
interpretación (ver la figura siguiente).
29
• La forma de onda se divide en ciclos;
• los ciclos se alargan a longitudes idénticas
formas de onda;
• las formas de onda están dispuestas en un
diagrama de cascada;
• el diagrama de cascada está conectado y
codificado por color;
• vista desde arriba tiene la forma sinusoidal;
• estas formas son posteriormente
interpretada por diferentes casos de análisis
de vibraciones;
• Las formas sinusoidales revelan
información, disponible a través de espectros
normal.
(Para más detalles ver Jason Tranter, Mobius Institute „New Methods In Vibration Analysis,
accelerometer data and ”sunics”)
Aparatos de control de vibración
El tipo de equipo utilizado para el monitoreo de vibración dependerá del tipo de sensores y
los requisitos hacia el proceso de monitoreo de la vibración.
Monitores para medir el nivel general de vibraciones
Estos instrumentos sirven para la medición de la amplitud sumando todos los tipos de
vibraciones en la forma de la aceleración, velocidad o desplazamiento. Son ampliamente
utilizados debido a su simplicidad y coste mínimo, aunque la mayoría de ellos no pueden
mostrar o guardar espectros o diagramas de tiempo y tienen rangos de frecuencia limitado.
Muchos de los primeros instrumentos no tenían ninguna opción para la grabación y esto se
hacía de forma manual.
Recolectores de datos programables (bases de datos) para la FFT
Hay una gran cantidad de analizadores FFT en el mercado hoy en día, lo que permite el
seguimiento de las vibraciones en un espectro de frecuencia deseada y simplificar
vibrodiagnósticos. Normalmente se utilizan como herramientas portátiles para el diagnóstico de
los problemas detectados por los instrumentos para el seguimiento general de las vibraciones.
Por ejemplo, el acelerómetro (TX5630) de la empresa Trolex puede ser conectado directamente
por medio de un analizador de FFT estándar [Vibraciones, edición de Trolex].
Analizadores espectrales en tiempo real
Debido a la considerable potencia de cálculo, la mayoría de los analizadores FFT de datos de
vibración del proceso, tienen grabados previamente. Si se requiere, sin embargo, para controlar
las vibraciones en tiempo real, se tienen que utilizar los analizadores espectrales para tiempo
30
real. Sin embargo, con el aumento de las capacidades de las actuales bases de datos de los
estudios de vibración, no son absolutamente necesarios para un programa de seguimiento
completa y en tiempo real, y el costo de este tipo de analizadores es demasiado alto.
6.4.
Criterio para el cambio de sensores
Los siguientes parámetros deben tenerse en cuenta al elegir un sensor apropiado:
• Rango de sensibilidad, por ejemplo, la capacidad del sensor para definir la amplitud de
las oscilaciones (desplazamiento, velocidad, aceleración) a partir de la amplitud de la
tensión de salida. Por ejemplo, un acelerómetro debe tener una sensibilidad del orden
de 100mV/g.
• Rango de frecuencia – el rango de frecuencia en la que el sensor puede trabajar
manteniendo su precisión y sensibilidad. Por lo general, los límites de las frecuencias se
definen por la tolerancia de la amplitud de las porciones para límites de banda, como ±
5%, ± 10% y/o ± 3dB.
• Rango de temperatura – este es la temperatura mínima y máxima, que el sensor puede
soportar, manteniendo sus parámetros y posibilidades de reacción metrológicas . Esto es
especialmente importante en la elección de los sensores, para ser montados de forma
permanente en la máquina, ya que una máquina puede estar sujeta a temperaturas muy
altas o muy bajas.
• Dirección de medición – los sensores piezoeléctricos sólo pueden medir en la dirección
del eje de montaje (con pequeña reacción en porcentaje de las vibraciones en la
dirección, perpendicular al eje de montaje - por lo general de 3% a 6%).
• Fuente de alimentación – por lo general es proporcionada por el controlador. Por
ejemplo, el controlador programable de Trolex TX9042 / 4 y el amplificador programable
TX9130 están especialmente diseñados para proporcionar una interfaz y fuente de
alimentación para toda la gama de vibro-sensores, así como para otros tipos de sensores
estándar.
• Sensibilidad de ensamblamiento. Hay un montón de maneras de montar sensores
(sondas manuales, conectores magnéticos, paneles de conexión permanentes, placas
autoadhesivas etc.) Cada método tiene influencia significativa en las capacidades de los
sensores para la medición de vibraciones y la obtención de resultados precisos y
reproducibles.
• Perturbaciones eléctricas. Los acelerómetros, por ejemplo, pueden ser extremadamente
sensibles a las perturbaciones eléctricas. La buena práctica exige unas condiciones para
la puesta a tierra de la maquinaria y se siguen estrictamente con el fin de garantizar su
correcto funcionamiento.
(Más detalles acerca de las formas y el lugar de montaje de los sensores y las conexiones por
cable a ellos, así como sobre los tipos de sensores y otros detalles técnicos se dan en
31
http://www.trolex.com/silo/files/Vibration%20Application%20Data%281%29.pdf – edición de la
empresa Trolex. El mismo material da un número de aplicaciones típicas del equipo para el
control de vibraciones, que pertenece a la empresa).
2.3.6. Análisis de onda de tensión - SWAN
Análisis de onda de tensión (SWAN) proporciona la medición de la fricción y los impactos
mecánicos en las máquinas de trabajo en tiempo real. Esta tecnología acústica de alta
frecuencia filtra los niveles de fondo de vibraciones y ruido y asegura la representación gráfica
de la buena condición de la máquina.
Mediante la medición de los eventos de impactos y fricción la técnica SWAN puede detectar
desgaste y defectos en una fase temprana antes de que las vibraciones aumenten, de manera
que el desarrollo del defecto se sigue durante todo el proceso que daña la máquina. Esto es
posible, ya que con el avance del defecto el contenido energético de los acontecimientos de la
fricción y los impactos se incrementan. La energía de la onda de tensión se mide y monitoriza en
la máquina, trabajando normalmente. Un gran número de aviones y turbinas de gas han sido
probados con el fin de probar la capacidad de SWAN para detectar con precisión una amplia
gama de irregularidades.
¿Qué es SWAN?
SWAN es la última técnica instrumental para la medición de la fricción, el impacto y la
transferencia de carga dinámica entre las partes móviles de la maquinaria de rotación. Estos
eventos producen estructuras, relacionados con las ondas de ultrasonido (ondas de tensión),
que pueden ser detectadas y analizadas en forma electrónica a través del sistema SWAN.
Un sensor montado en el exterior en la carcasa de la máquina detecta las ondas de tensión,
transmitida por la estructura de la máquina. El cristal piezoeléctrico en el sensor convierte la
amplitud de la onda de tensión en una señal eléctrica, que luego es amplificada y filtrada para
eliminar la baja frecuencia no deseada del sonido y las vibraciones energéticas (la figura
siguiente).
La salida de la señal es un tren de pulsos de ondas de tensión - SWPT - que presenta el
historial de los acontecimientos, provocados por impactos y fricción, por ejemplo, los de mala
lubricación. Un procesador digital analiza SWPT con el fin de definir el nivel más alto y el
contenido total de energía, producido por el impacto o fricción. Los valores calculados de la
amplitud de pico de ondas de tensión (SWPA) y la energía de ondas de tensión (SWE) se
muestran y se guardan en una base de datos para la comparación y análisis de tendencias
históricas. Por tecnología SWAN incluso eventos muy débiles, causados por impactos o
fricciones que se producen entre las superficies de contacto se pueden medir. El nivel y el
esquema de eventos de choque anormales se vuelven un instrumento de diagnóstico.
32
En un cojinete roto, por ejemplo, el nivel más alto de las ondas de tensión detectadas es
básicamente una función de la grieta y el SWE es una función del tamaño de los daños (la figura
siguiente).
SWAN tiene una sensibilidad muy alta, en comparación con otros instrumentos de diagnóstico,
por lo general permite el diagnóstico de problemas en su principio. En la mayoría de los casos
en el momento de la fatiga inicial de los componentes de la energía, entre las superficies de
contacto es demasiado pequeño para excitar las estructuras del engranaje o el motor, yendo
33
más allá de los niveles de base de las vibraciones. La fatiga sólo se detecta en la ocurrencia de
un daño catastrófico o daño secundario adicional. Sin embargo, por medio de SWAN y SWE el
inicio del proceso de daño puede ser detectado y analizado (la figura siguiente).
(Más detalles sobre el tema de análisis de ondas de tensión, junto con una serie de ejemplos
específicos se pueden encontrar en http://www.machinerylubrication.com/Read/501/stresswave-analysis )
Control cuestiones:
1. ¿Cómo son los parámetros básicos de vibraciones definidas y cuando se cada uno de los
parámetros utilizados?
2. ¿Qué vibraciones son relativas y cuales absolutas? ¿Cuándo un determinado tipo de
vibraciones revelan información más útil frente a nosotros?
3. ¿Cuál es la diferencia entre el monitoreo de vibraciones y diagnóstico de vibración? ¿Qué
métodos básicos se utilizan con ellos?
4. ¿Qué es un análisis de fase y qué tipo de información se le dan?
5. ¿Qué tipos de sensores se utilizan para medir las vibraciones?
Referencias:
(Además de las citadas en el documento)
http://www.sgs.bg/bg-BG/Energy/Energy-Sources/Wind/Services-in-the-In-ServicePhase/Vibration-Measurement.aspx
http://www.eldvigateli.com/balans.html
http://engineering-review.bg/engineering-statii.aspx?br=62&rub=649&id=1612
http://engineering-review.bg/engineering-statiieng.aspx?br=61&rub=637&id=1597
http://www.soma-software.com/extras/toolkit/bg/lecture5.html
http://measurement-bulgaria.com/statiadetails.aspx?id=608
http://energy-review.bg/energy-statii.aspx?br=69&rub=699&id=223
http://www.mtc-aj.com/conf_2011/dok_607.pdf
http://www.bds-bg.org/standard/search.php?ics_id=194 estándares
34
http://www.husqvarna.com/bg/support/vibration-calculator/ calculadora de vibraciones
http://www.ifm.com/ifmbg/web/pmain/070_010_030.html sistemas para seguimiento de
vibraciones
http://www.bds-bg.org/standard/info.php?natstd_id=29992
http://tmm-umk.bmstu.ru/lectures/lect_5.htm
http://www.ibspe.com/category/non-contact-measuring-systems/inductive-measuringsystems.htm?gclid=CLXPgIn_8bQCFdG5zAodb0QANw (sondas de corrientes de Foucault)
http://www.macrosensors.com/lvdt_tutorial.htm l (sensores LVDT)
http://en.wikipedia.org/wiki/Modal_analysis
http://macl.caeds.eng.uml.edu/macl-pa/modes/modal2.html (ANÁLISIS MODAL
SIMPLIFICADO)
http://www.reliableplant.com/Read/26843/phase-analysis-vibration (análisis de fase)
http://en.wikipedia.org/wiki/Stress_analysis (análisis de estrés SWAN)

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