DISEÑO DE UN BANCO PARA SIMULAR FALLAS EN MECANISMOS

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1 UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE EJECUCION EN MECANICA DISEÑO DE UN BANCO PARA SIMULAR FALLAS EN MECANISMOS TRABAJO DE TITULACION PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCION EN MECANICA PROFESOR GUIA: FERNANDO ESPINOSA CRISTIAN DANIEL ABARCA OVALLE TALCA - CHILE 2002

2 "Gracias Muchas gracias." Con estas sencillas palabras quiero expresar mi mayor gratitud a todas las personas que de una u otra manera me acompañaron en este largo camino llamado universidad, a mis amigos y compañeros de estudio imposible nombrarlos a todos, a mi familia y o todas las personas que siempre se preocuparon por mí. Punto a parte merecen en esta ultima etapa, la cual se ve plasmada en este trabajo de titulación, el profesor guía y don Ambrosio Martinich por todos sus consejos y sugerencias; la familia Valdes Ovalle por permitirme invadir su espacio y acogerme con todo su cariño y preocupación; a los compañeros en Talca siempre dispuestos a colaborar en lo que fuera y a muchas personas que en el instante no recuerdo. Por ultimo agradecer a Dios por todo lo bello que me ha dado y más aun por ser mi amigo y compañero de toda la vida. Cristian (carolo)

3 Dedico este trabajo con todo mi cariño a mis padres, pilares fundamentales en mi vida y que gracias a sus ejemplos, valores y sacrificios soy el hombre de bien que soy. También dedico este trabajo a mi novia Carolina compañera incondicional. que me entrego ese cariño de mujer que me hizo luchar para conseguir este gran triunfo. Así como también dedico esto a mis hermanos y sobrinos a los cuales quiero mucho y ellos lo saben, Por ultimo quiero dedicar esto a las personas que me hubiese gustado mucho participaran de estos momentos de felicidad. pero que sé están orgullosos de mí allá en el cielo, los quiero y extraño mucho (abuelo Rodolfo, Tata, Mama, Padrino, Cristían Daniel Abarca Ovalle

4 INDICE Página Capitulo 1 Introducción y Objetivos 1.1 Introducción Objetivo General Objetivos Inmediatos 3 Capitulo 2 Investigación Previa para el Diseño del Banco 2.1 Desbalance Desalineación Lubricación Sobrecarga 18 Capitulo 3 Pruebas a Realizar por el Banco 3.1 Desbalance de masa Desalineación de Ejes Ensayo de Rodamientos Ensayo con Caja de Engranaje Pruebas Combinadas 26 Capitulo 4 Diseño Conceptual del Banco 4.1 Diseño del Banco 28 Capitulo 5 Diseño y Selección de los Componentes del Banco 5.1 Selección del Motor Selección Variador de Frecuencia Diseño y Cálculo de la Transmisión por Correas Diseño y Cálculo del Eje Superior Diseño de los Elementos Rotores Diseño de Los Soportes y Porta rodamientos del Eje Superior Diseño de la mesa desalineadora Diseño de la Caja de Engranajes Frontales de Dientes Rectos Cálculo de los Engranajes Diseño y Cálculo del Eje de Entrada Cálculo y Diseño del Eje de Salida Diseño de la Caja de Engranajes Frontales de Dientes Inclinados Cálculo de los Engranajes Diseño y Calculo del Eje de Entrada Cálculo y Diseño del Eje de Salida 69

5 5.9 Cálculo y Diseño de los Elementos Exteriores de las Cajas de Engranajes Selección del Freno Diseño del Soporte del Freno Placa Base del Banco 79 Capitulo 6 Evaluación de Costos 6.0 Evaluación de Costos 80 Capitulo 7 Conclusiones 7.0 Conclusiones 84 Bibliografía 86

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15 CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1

16 1.1. INTRODUCCION Casi toda la actividad industrial ha sido afectada, a menudo de manera revolucionaria, por el acelerado desarrollo de la tecnología. Debido a que es parte central de casi todos los medios de fabricación y operación, la ingeniería resulta afectada de modo único. Se considera que el ingeniero debe tener un conocimiento más amplio de un universo que se ensancha a cada momento. Uno de los campos de la ingeniería que en el campo industrial ha crecido de manera muy rápida ha sido la mantención, por lo tanto los ingenieros requieren cada día más conocimientos sobre los mecanismos que componen las maquinas industriales y por ende requieren de herramientas efectivas para reconocer conceptos y metodología de mantenimiento predictivo y de esta manera disminuir fallas de maquinarias antes de daños irreparables y que causan muchos gastos tanto de producción como de reparación de las maquinas. Por lo anteriormente mencionado es que es muy importante que los estudiantes de ingeniería tengan una herramienta en la cual se pueda practicar una serie de situaciones a las que se verán enfrentados en el mundo industrial y que gracias ha estas practicas se puedan desenvolver con total normalidad. En estos momentos en la escuela de Ingeniería de Ejecución en Mecánica no existe ningún tipo de maquina o herramienta en la cual los estudiantes puedan reconocer los síntomas de las fallas que pueden presentar las maquinas en su funcionamiento real, y por lo tanto los estudiantes sólo conocen estos síntomas de maneras teórica. Es por esto, que el diseño de un banco simulador de fallas se hace un proyecto de mucha importancia para la escuela de Ingeniería de Ejecución en Mecánica, ya que con el tiempo se podría implementar un laboratorio de mantención, en el cual los futuros estudiantes de ingeniería podrían en forma practica conocer el comportamiento real de las distintas anomalías en el funcionamiento de las maquinas y las distintas características que estas conllevan. El presente trabajo de titulación estará enfocado a lograr el diseño de un banco en el cual se pudieran analizar las distintas características de los componentes más comunes de las maquinas, tanto buenos como dañados. Incluye el trabajo un presupuesto para determinar cual sería el costo que significaría llevar este proyecto a ser realidad. 2

17 1.2. OBJETIVO GENERAL: " Diseñar un banco simulador de fallas para comparar el comportamiento de mecanismos en fallas y mecanismos en total normalidad " 1.3. OBJETIVOS INMEDIATOS. a. Definir cuales son las fallas más comunes en las maquinarias b. Seleccionar los instrumentos para determinar los síntomas de las fallas en los componentes más comunes de las maquinas. c. Realizar el diseño, calculo y selección de los componentes para un banco simulador de falla. d. Realizar una evaluación económica, de la realización de un proyecto como éste. 3

18 CAPITULO 2 INVESTIGACION PREVIA PARA EL DISEÑO DEL BANCO 4

19 Todas las máquinas industriales son diseñadas con el fin de lograr un propósito. Para que este propósito sea cumplido es que son diseñada con diferentes componentes y a la vez en las condiciones ideales de funcionamiento, pero debido a múltiples factores estas máquinas transcurrido el tiempo fallan. Cuando esto sucede es tarea del encargado de mantención rescatar la mayor cantidad de información posible de este suceso para luego dar una solución al problema y que este no vuelva a suceder. Antes de que se produzca la falla, la máquina arroja una serie de síntomas de anomalías, los cuales sí el encargado de la máquina los lograra identificar, se podría evitar una falla catastrófica y una parada mayor de ésta. Estos síntomas que arroja la máquina son evidencias de un problema que se suscita en ella, estos síntomas casi siempre son: ruidos anormales, vibraciones, elevadas temperaturas, desgaste excesivo, elementos de unión flojos, fugas de sellos, deterioro prematuro de elementos, menor potencia de la máquina, etc. Todos estos síntomas nos dicen que al interior de una máquina existe un problema y que si este no es controlado a tiempo ocurrirá una falla en la máquina que involucrara un daño mayor de ésta y aumentara los costos de reparación de la misma. Los problemas más comunes que se suscitan al interior de una máquina y que ocasionan la mayoría de los síntomas anteriormente mencionados son: Desbalance. Desalineación. Lubricación deficiente. Sobrecarga. A continuación se describe en que consiste cada uno de estos problemas, y cuales son sus características y los métodos para poder identificar cada uno de estos Desbalance: El desbalance es una de las causas más comunes de fallas en máquinas y que relativamente es fácil de diagnosticar debido a la vibración que causa. El desbalance es una condición en la cual el centro de masa de un determinado objeto no coincide con el centro de rotación del mismo (fig.2.1 a). La razón para esto es la nouniformidad en la distribución de masa de un cuerpo alrededor del centro de rotación. Esto puede ser visto como un gran punto imaginario en un rotor, el gran punto causara deflexión alrededor del rotor y el eje, que se comunicará luego a los descansos. La tarea para 5

20 balancear es localizar, medir y tomar el peso del punto y aplicar uno idénticamente igual en oposición contraria (180 ) para compensar el desbalance. Esto llevaría al centro de masa a ser coaxial con el centro de rotación y el resultado sería un rotor girando en forma suave(fig.2.1 b). Esto no es tan así, ya que el balancear involucra mayor complejidad. Las siguientes son las causas más comunes que ocasionan desbalance: Porosidad en las piezas fundidas No-uniformidad en la densidad del material Tolerancia en la manufacturación Adhesión o perdida de material durante operación Acción de mantención o limpieza. Cambio de pernos Maquinado Materiales torcidos girando alrededor del ejes (poleas, rotores, el mismo eje, etc.) El desbalance se muestra como una frecuencia de vibración exactamente igual a la velocidad rotacional, con una amplitud proporcional a la cantidad de desbalance. El espectro de un extractor de aire desbalanceado se muestra en la figura 2.2. En este punto cabe señalar que no con cualquier herramienta o instrumento puede ser detectado un desbalance, ya que es de vital importancia a la hora de diagnosticar, la frecuencia de vibración. Por lo tanto para detectar un desbalance es necesario contar con un instrumento que entregue la información de la frecuencia. 6

21 Después de balancear el extractor de aire anteriormente mencionado, el pico que existía a los 875 rpm. es mucho más pequeño, esto se muestra en la figura 2.3. La solución a la condición de desbalance se aprecia a través de la amplitud de vibración, en este caso, la amplitud de la vibración cae desde a 0.007g, un 85% mejor. Para el propósito del análisis del desbalance, este se mostrara sobre una alta amplitud de vibraciones a 1 X r.p.m. También, otros defectos pueden causar 'IX rpm. vibraciones. Estos otros defectos complican por algún tiempo el diagnostico de desbalance, pero la mayor parte del tiempo la condición de desbalance se encuentra con un 1X rpm. de vibraciones, por lo tanto sí un X rpm. de vibraciones está presente en el análisis de una máquina, entonces el desbalance debe estar en la lista de las posibles causas de esta vibración y se le debe asignar una alta prioridad en esta lista. La fuerza centrifuga producida por un punto en un rotor es de importancia y la podemos conocer a través de la siguiente formula. 7

22 El gran punto es actualmente una medida imaginaria. Este es un vector suma de todas las masas de pernos; inclusiones; vacíos; y otros defectos que se combinan dentro de un solo peso en algún lugar del rotor. Este gran punto imaginario crea una fuerza centrifuga constante en el rotor. Pero como el rotor gira, un censor estacionario censa esta fuerza como un evento cíclico una vez por revolución. Esta materia está basada en la perspectiva del punto de referencia que se tome. Para un observador que se encuentra en el rotor, girando con este, el punto fuerte debería parecer como un peso que adquiere mas peso a medida que aumenta la velocidad. Este peso crea una fuerza en dirección constante desde el centro hacia fuera, tal que distorsiona al rotor y al eje. A esto debería ser adicionada la fuerza de gravedad. Esta es una fuerza constante en un punto de referencia estacionario, pero una fuerza variable en un disco que se encuentra girando. Esta fuerza de gravedad también actúa en el punto como una fuerza constante media, pero esta fuerza actúa hacia fuera del disco, mirando desde el eje, cuando el punto esta en la parte inferior del disco, y actúa hacia el interior del disco cuando el punto se encuentra en la parte superior de éste (ver fig. 2.4). Así, sumándose a la fuerza centrifuga constante, existe una fuerza gravedad cíclica actuando en el rotor y el eje, cuando se ve 8

23 desde el rotor como marco de referencia. Así un observador situado en el punto mismo y girando con el rotor debería sentir una fuerza centrifuga constante hacia fuera del disco, y en la parte superior de este una fuerza de gravedad cíclica. Esta fuerza de gravedad crea una fuerza alternativa en el eje. El paso del punto fuerte se debe a la fuerza centrífuga y es registrado como una oscilación en la frecuencia de rotación. El efecto de la fuerza de gravedad puede ser medida sí el sensor es movido alrededor de la circunferencia del cojinete. Un gran movimiento es detectado a medida que se desliza el sensor desde la parte superior hacia abajo, en efecto, se crea un pequeño cambio en la fase de grabación. Al montar un sensor en dirección horizontal, la fuerza de gravedad es cero y no incurre en error. El traductor solo censaría la fuerza centrifuga. Para una maquina de velocidad normal de 600 r.p.m. y más, la fuerza centrifuga es por lo menos 100 veces más que la fuerza de gravedad, y la fuerza de gravedad puede ser virtualmente ignorada. Este análisis ilustra las fuerzas al girar el rotor, vistas desde un punto de referencia estacionario. Esto también muestra como balanceando a altas velocidades se facilita la detección del gran punto. Un punto de poco peso, cuando esta estacionario cómo la fuerza de gravedad, puede convertirse en cientos de pequeños puntos como la fuerza centrifuga cuando esta girando. 9

24 Como un ejemplo final de diagnostico de desbalance la figura 2.5 es un espectro de un desbalance que fue creado en un flanche, en una máquina de demostración; al flanche se le agregaron pernos y tuercas en un sector. La velocidad de rotación fue de 1500 r.p.m. (25 Hz) y un gran pico se observa en esta frecuencia. La amplitud de este pico es de 0.5 g. La figura 2.6 es el dominio de tiempo que se ve de este desbalance. El periodo de vibración de mayor significación es de 0.04 seg. el cual corresponde a la frecuencia de 25 Hz. De pico a pico la amplitud es de 100 mv. El acelerometro usado tiene una sensibilidad de 100 mv/g, por lo tanto, esta vibración es de 1 g de pico a pico o de 0.5 g de cada pico. Este ejemplo ilustra como un simple problema puede ser diagnosticado con un acelerometro de prueba para análisis de frecuencia. 10

25 2.2. Desalineación: Acoplamientos desalineados es una condición donde el eje de la máquina conductora y la máquina conducida no están en el mismo centro de línea. Para los propósitos de discusión, la condición no coaxial puede ser desalineamiento angular o paralelo como se muestra en la figura 2.7. La condición más común es donde se mezclan ambos, en dirección vertical y horizontal. Esta mezcla de desalineación, paralela y angular en ambas direcciones horizontal y vertical, es la forma de desalineación más difícil de solucionar. Corrigiendo para un efecto y luego para el otro, es la técnica mas usada para corregir este problema. Lo primero es medir y luego mover, respetando las medidas para una desalineación, luego medir y corregir la otra desalineación y así en adelante. La ilustración en la figura 2.7 sugiere una unión desalineada en el sujetador. Esta es la situación más común, pero el método de análisis es aplicable a engranajes y rodamientos que también se desalinean. En estos tiempos se está forzado a alinear uniones, debido a que los componentes de equipos de máquinas son proporcionados por distintos proveedores, lo ideal sería que un solo proveedor equipara todo el conjunto, pero la mayoría de los fabricantes de motores no hacen bombas, y los fabricantes de ventiladores no hacen motores. Algunos equipos, como 11

26 ventiladores de aleta axial y algunos compresores centrífugos, son construidos con un motor integrado y el actuador esta montado directamente en el eje del motor. En este caso, el eje o la unión no tienen este problema de desalineación porque existe un solo eje. También nos vemos forzados a realizar alineaciones debido a bombas hidráulicas, que producen diferentes flujos y presiones en diferentes velocidades y rangos de potencias. Es deseable mantener esta flexibilidad de acompañar diferentes motores a ventiladores y bombas para obtener las presiones y flujos deseados. Por esta razón y al realizar una mirada industrial, este problema siempre estará presente, pero es solucionado al conocer los procesos correctos de alineación. Desde que existe el problema de alineación entre el eje de la máquina conductora y el eje de la máquina conducida, uniones flexibles son utilizadas para absorber la desalineación; las uniones flexibles permiten que dos máquinas desalineadas puedan operar, pero no necesariamente en forma suave. La mayoría de las tensiones se encuentran en estas uniones. Las tensiones causan un alto nivel de vibraciones, también causan un rápido desgaste en rodamientos, sellos y uniones. El dasalineamiento no es fácil de detectar en máquinas que están operando. Las fuerzas radiales transmitidas de eje a eje son típicamente fuerzas estáticas (unidireccionales), pero consecuentemente a través del tiempo esta desalineación trae consigo efectos secundarios que arroja los siguientes síntomas. Fallas prematuras en rodamientos, sellos, ejes y uniones. Alta temperatura en el casco o en las cercanías de los cojinetes, o mayor cantidad de aceite caliente Aumenta el goteo de lubricante a través de los sellos Pernos de fundaciones se sueltan Se incrementan los niveles de vibración en las direcciones radial y axial. La desalineación se muestra en un dominio de frecuencia como una serie de armónicos en la velocidad de funcionamiento (fig.2.8). El armónico ocurre a causa de tensiones inducidas en el eje. Los armónicos no son realmente vibraciones en esas frecuencias, pero una falla se produce y la detecta la señal digital cuando el movimiento es restringido. Si dos ejes no están alineados y no se acoplan, ellos pueden girar libremente en sus propios ejes como el la figura 2.9a. 12

27 Cuando los dos ejes son acoplados, ellos son forzados el uno hacia el otro (fig.2.9b). Cuando se acoplan y giran en conjunto, los dos ejes están forzados a funcionar en forma cíclica. Los ejes de aceros son muy rígidos, pero sé deforman poco a poco en pequeñas 13

28 cantidades. Esta deformación crea fuerzas cercana a los descansos y el conjunto del alojamiento de ambas maquinas. El alojamiento y el cojinete crean fuerzas de reacción que proveen al eje de movimientos de cuidado. Estas restricciones dan el movimiento normal de la onda del seno desde que empieza hasta que termina, en la totalidad de la amplitud. En otras situaciones, el movimiento ondular del seno de la flexión del eje es distorsionado en los extremos (fig.2.10). Esta es la distorsión que generan los armónicos. El desprecio de la flexión del eje también causa acelerado desgaste de las uniones, sellos y conjunto del alojamiento. El dasalineamiento de ejes también causan un esfuerzo en la unión y causa presión en las partes internas de la unión (la una contra la otra) a cada revolución, las partes en contacto se juntan a presión, luego se separan y luego se tocan en la siguiente rotación, y esto cíclicamente. Este contacto cíclico causa una frecuencia real de vibración de los elementos en contacto del acoplamiento. 14

29 El patrón de vibraciones que se muestra en la figura 2.11 es el de una maquina girando con una unión flexible, al ver este patrón sé debería sospechar de desalineamiento, ya que si se compara con el patrón de la figura 2.8 son muy semejantes, la amplitud está en unidades de aceleración. Aquí se aprecia que la mejor manera de ver un dasalineamiento es a través de la exposición de la aceleración. El mismo patrón de armónicos aparece también para desalineamiento de rodamientos, para reconocer cual es el caso que se tiene, se deben realizar análisis adicionales. Por ejemplo, un espectro de armónicos de una maquina sin unión flexible indica que la desalineación del rodamiento es la causa más posible del armónico o alguna otra distorsión. Asimismo la desaparición del armónico en un motor girando sólo es una buena indicación de un acoplamiento desalineado, pero si este armónico permanece quiere decir que el problema esta en el motor y no en la alineación de las dos maquinas. La alineación también depende de la temperatura. Todos los materiales crecen con el aumento de la temperatura, y el metal no es la excepción. Algunos motores se calientan y luego se enfrían, también las máquinas pueden calentarse o enfriarse dependiendo del ambiente, o los fluidos que estas manejan. Estas variaciones de temperatura causan lentos movimientos en los ejes, cambiando la condición de alineación de estos, por lo tanto, aumentaran las vibraciones y específicamente los armónicos. Si la duración de cambios de temperatura coincide con la duración de los armónicos, los cambios de temperatura son una fuerte indicación de desalineación. Cuando dos ejes giran el uno con el otro, ambos oscilan en un movimiento angular. Algunas curvaturas se dan en el eje, pero este mismo movimiento angular sigue a los descansos. El resultado es que la maquina vibrara verticalmente arriba y abajo, y horizontalmente atrás y adelante. Si se tiene un analizador que pueda medir fases, entonces este movimiento oscilatorio puede ser detectado grabando fuera de fase en 180. Las medidas son mejor efectuadas adjuntas a las uniones. Se pueden detectar diferencias de fases en 180 a través de la unión; una lectura se realiza en el motor y la otra lectura en la bomba, la diferencia raramente es exacta, pero pueden ser 160, 140 o pueden ser iguales solo a 110. Pero el punto es que la diferencia en la fase es notable y así podemos diagnosticar que existe desalineación. Como un ejemplo final de diagnostico de desalineamiento, se muestra en la figura 2.12 el dominio de tiempo de una maquina desalineada. Esta máquina consiste en un motor de 1790 rpm. que esta unido con un eje con rotores, a través de un acoplamiento flexible. El motor fue intencionalmente desalineado al mover sus tornillos de fijación. El dominio de tiempo que 15

30 se muestra no es de mucha ayuda para diagnosticar desalineamiento ya que no varia del de una máquina alineada. La figura 2.13 muestra la vista del dominio frecuencia del mismo desalineamiento anterior. El armónico de velocidad de funcionamiento indica desalineación, alto y claro. La conclusión es que la vista del dominio de frecuencia, especialmente con la exposición de aceleración, es la mejor manera de detectar desalineamiento. 16

31 2.3. Lubricación: La lubricación es una practica para disminuir la fricción entre dos superficies en contacto. La fricción es un elemento que se da en muchas superficies, es mala cuando causa calor, desgaste y reduce la energía en la máquina. Existen dos tipos de fricción o roce, el roce sólido y el roce fluido, el roce o fricción fluida es la que sé da entre un sólido y un liquido o entre partículas de líquidos, mientras que el roce sólido es el que existe entre dos superficies sólidas. La solución a este problema es separar las superficies mediante un abastecimiento continuo de fluido. Con una buena lubricación, una maquina es muy silenciosa, sí se usa el lubricante adecuado en el lugar correcto y este se cambia periódicamente como debe ser, la máquina trabajará de buena manera. Para esto se debe escoger el tipo de lubricante a utilizar y muchos otros factores como el tipo de lubricación, ya sea lubricación hidrostática o hidrodinámica. La lubricación hidrostática forma la película de lubricación al bombear a presión el aceite entre las superficies en contacto, mientras que la lubricación hidrodinámica la película se forma solamente por el arrastre del fluido hacia el interior de las partes metálicas. Cuando no se cumplen las condiciones básicas de lubricación, se producen una serie de situaciones como aumento de la temperatura, mayor fricción, diminución de potencia, mayor ruido y otras, que con el correr del tiempo ocasionan la falla más común de la mala lubricación, el desgaste al interior de los componentes de las máquinas, lo que lleva a una posterior falla del equipo. El desgaste es un proceso en el cual las capas superficiales de un sólido se rompen como resultado de la acción mecánica de otro cuerpo o medio. Si la acción mecánica aparece en forma de fuerza de fricción, entonces al proceso se le llama desgaste por fricción. En el desgaste por fricción el acto de ruptura se localiza en un pequeño volumen del material, el cual es removido de la zona de rozamiento en forma de partículas de desgaste. Dentro de los tipos de desgaste se reconocen una variada gama, tales como los siguientes. Desgaste por fatiga superficial: Este desgaste se originó al observar fenómenos de fatiga superficial en los cojinetes de fricción deslizantes con lubricación hidrodinámica, donde las superficies rozantes están normalmente separadas por una película gruesa de lubricante. El proceso de fatiga provoca deterioros en el material debido a las tensiones variables, cuyo 17

32 nivel máximo no sería perjudicial sí actuara en forma constante, a tracción o compresión. Este proceso de desgaste es una forma clásica de fallo en los cojinetes de bolas y rodillos. Desgaste abrasivo: El termino desgaste abrasivo se entiende generalmente como el daño a superficies deslizantes por la acción de partículas sólidas presentes en la zona de rozamiento, este tipo de desgaste es muy perjudicial y se da mayormente en los engranajes. De acuerdo con esto, el desgaste abrasivo incluye el desgaste producido por la partícula que se desprende durante el proceso de rozamiento. Las partículas pueden tener diferentes orígenes tales como minerales provenientes del exterior y que caen en la zona de rozamiento y también de una contaminación del medio lubricante y del desgaste de elementos de trabajo y que interactúan directamente con la masa del abrasivo. Desgaste por oxidación: El desgaste por oxidación se observa en un par deslizante sujeto a la acción de aire de la atmósfera o contenidos de oxigeno en un lubricante, donde el oxido formado en la superficie experimenta desgaste. Desgaste por frotamiento: Una forma bien conocida de desgaste, que involucra a los otros desgastes, es el desgaste por frotamiento. Esta forma tiene lugar, cuando dos cuerpos en contacto, experimentan, uno con respecto al otro, movimiento relativo de oscilación, cuya amplitud es menor de 100um. En la industria, el desgaste por frotamiento se da en sistemas mecánicos como en las uniones arboles cubos, las empaquetaduras y sellos estáticos, los rodamientos, embragues y frenos. Como consecuencia del desgaste por frotamiento, en la superficie de los elementos aparecen grietas de fatiga y generan productos de desgaste. La mayor cantidad de estos desgastes se dan por que el lubricante no cumple con las condiciones ideales, de lograr separar las superficies que se encuentran en contacto, y esto se debe a que el lubricante por diferentes motivos se degrada y pierde sus cualidades. La contaminación de distintos elementos degradan y arruinan el lubricante. Una mala lubricación puede ser reconocida mediante el análisis del lubricante al ser cambiado, revisando si existen materiales de desgaste provenientes del interior de la máquina y lo otro es midiendo la temperatura del lubricante al interior de la máquina y observando que este no sobrepasa la temperatura normal de operación, también si los elementos en contacto generan chillidos o ruidos de roce anormales. Estas formas de control son muy fáciles de realizar y que son de un bajo costo para el área de mantención. 18

33 2.4. Sobrecarga: Todas las máquinas están diseñadas para transmitir cierta potencia, elevar determinada carga, aplicar una fuerza especifica. Muchas veces en las industrias las máquinas se ven expuesta a un sobresfuerzos y/o trabajo que sobrepasa sus limites de operación, en el instante que esto sucede la máquina no evidenciara una falla o 'daño, pero poco a poco estos sobresfuerzos a los que la máquina se expone, ocasionan pequeños daños en los componentes, estos daños se irán acumulando y cuando la máquina sufra nuevamente otra sobrecarga o exceso de trabajo fallará catastróficamente sufriendo daños gravisimos en su interior. Cuando la máquina se ve expuesta a estas sobrecargas arroja síntomas que son fáciles de reconocer, tales como: Ruido anormal al realizar el trabajo Velocidad operacional disminuye Se eleva la temperatura en los componentes de la máquina Vibraciones excesivas Desgaste repentino de los componentes Rotura de elementos (dientes, paletas, etc.) No existe un instrumento especial para detectar si la máquina esta sufriendo una sobrecarga, solo el operario por medio de su experiencia podrá reconocer este problema, es por esto, que para evitar que la máquina se vea afectada por una sobrecarga es que antes de ser utilizada se deben tener una serie de consideraciones, como: cual es el trabajo a realizar, las condiciones ambientales a las que será expuesta, si la potencia de la máquina seleccionada es la adecuada, mirar la placa de la maquina y revisar sus características y una serie de detalles más que son importantes a la hora de realizar un buen trabajo sin que la máquina se vea afectada por una falla debido a una sobrecarga. 19

34 CAPITULO 3 PRUEBAS A REALIZAR POR EL BANCO 18

35 Descripción de las pruebas a realizar en el banco Como en el capítulo anterior se describieron en cierta manera cual son las fallas más recurrentes a las que se ven expuestas las máquinas y los instrumentos con las cuales se detectan, podemos realizar la descripción de las experiencias que se debieran realizar en un laboratorio de mantención a través de un banco especialmente diseñado para esto Experiencia N 1: Nombre: Desbalance de masa Objetivo: Desarrollar en el usuario del banco la habilidad para reconocer las características que se suscitan en los componentes de una máquina cuando en ésta existe un desbalance de masa. Elementos requeridos para la prueba: Motor eléctrico Eje (con sus descansos) Elementos rotores Pernos Instrumentos (acelerometros, estetoscopio) Unión de acoplamiento Procedimiento de la experiencia: Esta experiencia consiste en montar 2 discos de 150 mm de diámetro sobre el eje, estos discos deben tener 2 hileras de perforaciones, en las cuales se colocaran pernos, para introducir el desbalance de masa. 19

36 En la primera parte de esta experiencia se debe verificar que el banco esté con todos sus componentes e instrumentos y que todos los elementos se encuentren bien firmes. Luego se hará girar el eje con sus dos rotores sin ninguna masa adicional a una velocidad de 1500 rpm. Lograda esta velocidad se realizaran las observaciones con respecto a la rotación del eje, y también oír el funcionamiento de los componentes del descanso del eje, para finalizar esta etapa, se debe medir la amplitud de vibración en los descansos del eje superior. Lo segundo que el usuario del banco debe realizar es colocar pernos, en una zona determinada de los rotores, y así lograr un desbalance de masa. Ya realizada la adición de pernos se debe hacer girar el eje a una velocidad de 1500 rpm, y una vez alcanzada esta velocidad se deben realizar las observaciones y mediciones correspondientes. La medición es a través de los acelerometros montados en los descansos del eje; con estos instrumentos se determinará la amplitud de vibración que se produce en los descansos del eje por causa de este desbalance. Las observaciones son dos, la primera oír a través de un estetoscopio como el desbalance afecta a los componentes del descanso y la segunda observación es mirar como el desbalance de masa afecta la rotación del eje. Una vez realizadas las mediciones y observaciones, se comenzará a aumentar la velocidad del eje a 2000 y 3000 rpm. y se tomaran los mismos datos y observaciones que cuando el eje giraba a 1500 rpm. Para finalizar se adicionara una mayor cantidad de pernos en ambos rotores para aumentar la cantidad de desbalance de masa y se desarrollara nuevamente la experiencia en las condiciones mencionadas anteriormente, tanto de velocidad como en la toma de datos y observaciones. Análisis y conclusiones a obtener: En este ensayo se deben analizar las distintas amplitudes de vibración que se producen al efectuar distintos desbalances de masa, analizar el ruido que el desbalance produce en los descansos del eje y observar el movimiento que se produce en el eje cuando existe esta condición y compararlo cuando el eje se encuentra funcionando en condiciones totalmente normales. Por conclusiones el usuario podrá determinar en que afecta la velocidad operacional para poder detectar de mejor o peor manera el desbalance y en que afecta esta en la amplitud de la vibración; también podrá determinar como se ve afectada la amplitud de la vibración a medida que se aumenta la cantidad de masa a los rotores para aumentar el desbalance; otra conclusión que deberá extraer el usuario a parte de las características que le demuestren un desbalance de masa en una máquina, es en cual dirección es más conveniente montar los instrumentos para apreciar de mejor manera las señales que el desbalance ocasiona. 20

37 3.2. Experiencia N 2: Nombre: Desalineación de ejes. Objetivo: El objetivo de esta experiencia es que el usuario del banco adquiera la habilidad para reconocer, las características que se desarrollan en una máquina cuando en ésta se encuentra una desalineación de ejes. Otro objetivo es poder reconocer los distintos tipos de desalineación y por ultimo que el usuario pueda por medio de las herramientas adecuadas aprender a corregir esta falla en una máquina. Elementos requeridos para la prueba: Motor eléctrico Uniones de acoplamiento Eje (con sus descansos) Plataforma a desalinear Elementos desalineadores Instrumentos (acelerometros, estetoscopio, instrumentos de alineación.) Procedimiento de la experiencia: Este ensayo consiste en desalinear paralelamente y en forma controlada el eje superior del banco con respecto al eje del motor. Lo primero en esta experiencia es hacer girar el eje superior perfectamente alineado con el eje del motor, a unas 1500 rpm, alcanzada la velocidad se debe realizar observación visual del funcionamiento de los ejes, también oír el ruido de los componentes del descanso y por ultimo la amplitud de vibración en los descansos del eje superior del banco. La segunda etapa consiste en realizar una pequeña desalineación angular del eje superior del banco con respecto al eje del motor, realizada la desalineación se debe 21

38 comenzar a girar el motor con una velocidad de 1500 rpm. y tomar todos los datos de la amplitud de vibración que se producen en ambos descansos del eje superior, también se debe observar el comportamiento de la unión, del funcionamiento de los ejes y por ultimo oír a través del estetoscopio el sonido de los componentes de los descansos. Ya efectuada la toma de datos y observaciones se procede a aumentar la velocidad del eje a 2000 y 3000 rpm. y realizar la toma de datos para cada una de estas velocidades. Para finalizar esta segunda etapa se realizara un desalineamiento angular un poco mayor que el anterior y se realizara nuevamente el procedimiento que para el desalineamiento anterior. La tercera etapa consiste en realizar un desalineamiento paralelo del eje superior, en forma controlada, y hacer girar este eje a las mismas velocidades que en el desalineamiento angular y por ende realizar la misma toma de datos con respecto a la amplitud y a la observación de componentes. La cuarta etapa consistirá en realizar en forma controlada una combinación de ambas desalineaciones (paralela y angular) y someter al eje a las mismas condiciones de funcionamiento de las etapas anteriores y realizar la toma de datos correspondientes a cada velocidad. Para finalizar esta experiencia se debe realizar el cambio de la unión con la cual se realizaron las etapas anteriores y con esta nueva unión realizar la misma gama de ensayos que se realizó para la unión anterior. Análisis y conclusiones a obtener: En este ensayo el usuario deberá analizar como cada uno de los grados de desalineación afecta a los descansos del eje y también como es el comportamiento vibracional y de ruido de éstos al verse enfrentados a los distintos tipos de desalineación. También se debe observar el comportamiento de la unión entre los ejes dependiendo el tipo de unión que exista, observar también el comportamiento de la polea ubicada en el extremo del eje y como afecta el desalineamiento a la correa de transmisión de la caja reductora. Por conclusiones se debe esperar que el usuario determine en que influye un mayor grado de desalineación con respecto a la amplitud de la vibración en los descansos del eje; en que afecta a su vez la velocidad operacional en la detección del desalineamiento de ejes; que uniones absorben de mejor manera la desalineación entre ejes sometidos a las mismas desalineaciones; en que medida afecta la desalineación a la transmisión por correas. 22

39 3.3. Experiencia N 3: Nombre: Ensayo de rodamientos. Objetivo: El objetivo de este conjunto de experiencias es que el usuario del banco, una vez concluidos los análisis y conclusiones, sea capaz de distinguir entre rodamientos en buenas condiciones y diferenciarlos de rodamientos que ya presentan algún daño, todo esto a través de las características de: sonido, vibración, temperatura y otras que estos elementos adquieren en condiciones normales de operación. Elementos requeridos para la prueba: Motor eléctrico Eje (con sus descansos) Instrumentos (acelerometros, estetoscopio, termómetros.) Unión de acoplamiento Rodamientos con distintos daños. Procedimiento de la experiencia: Esta experiencia consiste en una serie de pruebas en las cuales se deben tomar los datos relevantes para cada una de las pruebas. La primera prueba consiste en hacer girar el eje sometido a carga a 1500 rpm. con rodamientos que estén en perfectas condiciones y con la cantidad adecuada de lubricante y se deben tomar las lecturas de la amplitud de vibración que arrojan los acelerometros montados en los descansos del eje, también se deben tomar las observaciones correspondientes del sonido que emiten estos rodamientos y a su vez la temperatura que alcanzan a esta velocidad, luego de esto se debe aumentar la velocidad del eje a 2000 y 3000 rpm., y tomar los mismos datos que a la velocidad anterior. 23

40 La segunda experiencia consiste en desmontar estos rodamientos y montar uno que se encuentre totalmente seco y hacerlo girar a 1500 r.p.m., y tomar los datos y observaciones correspondientes. Y luego al igual que la prueba anterior aumentar la velocidad de giro del eje. La tercera experiencia consiste en montar en lugar del rodamiento seco uno que tenga un daño o falla en la pista interior y hacerlo girar bajo las mismas condiciones de carga y velocidad de las pruebas anteriores y por ende tomar los mismos datos y observaciones que entregan los instrumentos a utilizar. La cuarta experiencia consiste en montar en el lugar del rodamiento con daño en la pista interior, un rodamiento que contenga daño en los elementos rodantes (bolas) y someterlo al mismo estudio de los rodamientos anteriores La ultima experiencia consiste en montar en el lugar de los rodamientos anteriores un rodamiento que se encuentre agripado y realizar al mismo estudio que a los otros rodamientos. Análisis y conclusiones a obtener: En este conjunto de experiencias el usuario deberá analizar las características que presentan cada uno de los rodamientos estudiados, a su vez analizar y comparar la vibración que se presenta en cada rodamiento a estudiar, al igual que deberá reconocer cual es ruido característico de cada uno de estos rodamientos y cual es su temperatura de funcionamiento. Por conclusiones se deberá determinar en que afecta la velocidad operacional par detectar o no las distintas características que arrogan los daños en los rodamientos, también cual es el daño o falla más fácil de detectar Experiencia N 4: Nombre: Ensayo con caja de engranajes. Objetivo: El objetivo de este conjunto de experiencias es que el usuario del banco, adquiera la habilidad de reconocer las características de vibración, sonido, y otros síntomas que se presentan en los engranajes cuando estos están fallando. Todo esto en condiciones normales de operación. Elementos requeridos para la prueba: Motor eléctrico Eje (con sus descansos) Instrumentos (acelerometros, estetoscopio, termómetros.) Unión de acoplamiento Cajas de engranajes con distintos tipos de falla en los dientes de estos 24

41 Transmisión por correas. Procedimiento de la experiencia: Esta experiencia consiste en una serie de pruebas en las cuales se deben tomar los datos relevantes para cada una de las pruebas. La primera prueba consiste en hacer girar una caja de engranajes de dientes rectos en total normalidad, con la cantidad adecuada de lubricante y sometida a carga, a 1600 rpm. de entrada y se deben tomar las lecturas de vibración que arrojan los dos acelerometros montados en la caja, además tomar la temperatura del lubricante y a través de un estetoscopio oír el sonido característico del funcionamiento de esta caja. Luego de esto se debe aumentar la velocidad operacional de entrada a la caja a 2000 y 2500 r.p.m., y tomar nuevamente los datos y observaciones. La segunda experiencia consiste en colocar una caja de engranaje de dientes rectos, con la cantidad adecuada de lubricante, pero que en sus dientes tengan pequeños daños como picaduras y saltaduras de metal, hacer girar esta caja a las mismas velocidades de la caja anterior y tomar todos los datos y observaciones tomadas a la caja anterior. Una vez finalizado esto se aumentara la cantidad de lubricante y se realizaran nuevamente la toma de datos y la variación de velocidad operacional, y por ultimo se estudiara esta misma caja pero con muy poco lubricante en su interior. La tercera experiencia consiste en montar en lugar de la caja anterior una que tenga daños severos en los dientes de los engranajes y hacerla girar bajo las mismas condiciones de carga y variación de velocidad de la caja anterior y por ende tomar los mismos datos y observaciones. La cuarta experiencia consiste en montar una caja de engranajes frontales de dientes inclinados, en total normalidad sometida a carga y con la cantidad adecuada de lubricante hacerla girar a 1600 r.p.m. de entrada y se deben tomar las lecturas y observaciones correspondientes del funcionamiento de la caja al igual que las cajas anteriores, luego de esto se debe aumentar la velocidad operacional de entrada a la caja a 2000 y 2500 r.p.m., y tomar nuevamente los datos y observaciones. La quinta experiencia consiste en colocar una caja de engranaje frontales de dientes inclinados, pero que en sus dientes tengan pequeños daños como picaduras y saltaduras de metal, con la cantidad adecuada de lubricante, hacer girar esta caja a las mismas velocidades de las cajas anteriores y tomar todos los datos y observaciones correspondientes. Una vez finalizado esto se aumentara la cantidad de lubricante y se realizaran nuevamente la toma de datos y la variación de velocidad operacional, y por ultimo se estudiara esta misma caja pero con muy poco lubricante en su interior. 25

42 La sexta experiencia consiste en montar en lugar de la caja anterior una que tenga daños severos en los dientes de los engranajes y hacerla girar bajo las mismas condiciones de carga y variación de velocidad de todas las cajas anteriores y por ende tomar los mismos datos y observaciones. Análisis y conclusiones a obtener: En este ensayo el usuario deberá analizar las características que presentan los distintas cajas de engranajes estudiadas, analizar y comparar la vibración que se presenta en las cajas de dientes rectos y en las cajas de dientes inclinados, al igual que deberá reconocer cual es ruido característico de cada una de estos cajas con y sin fallas en sus dientes, con los distintos niveles de lubricante y a su vez cual es la temperatura de operación en estas cajas. Por conclusiones se deberá determinar en que afecta el nivel de lubricante en las características que arrojan los distintos tipos los daños de los dientes, tanto en la caja de dientes rectos como en la de dientes inclinados, también se debe decir en que afecta la velocidad operacional en los distintos análisis a realizar, como en la amplitud de la frecuencia, el nivel del ruido, la temperatura de los elementos, etc. y por ultimo comparar los dos tipo de cajas estudiadas Experiencia N 5: Nombre: Pruebas combinadas. Objetivo: El objetivo de este conjunto de experiencias es que el usuario del banco, adquiera la habilidad de reconocer las características y síntomas que se presentan en los distintos componentes de una máquina cuando estos están sometidos a condiciones anormales de operación. Elementos requeridos para la prueba: Para este conjunto de ensayos se necesita el banco completo con todos los elementos de las pruebas anteriores. Procedimiento de la experiencia: Esta experiencia consiste en una serie de pruebas en las cuales se deben tomar los datos relevantes para cada uno de los elementos que se requiera información. La primera prueba consiste en montar en los descansos del eje superior los rodamientos que presentan fallas, luego de esto se debe realizar el desbalance de masa en los rotores del eje como en la experiencia N 1 y luego hacer girar el eje a 1500 r.p.m. y tomar la información con respecto a los rodamientos que se tomo en la experiencia N 3, ya tomados los datos se aumenta la velocidad a 2000 y 3000 r.p.m. y nuevamente se toman los datos y 26

43 por ultimo se van cambiando los rodamientos con distintas fallas al igual que en la experiencia con los rodamientos La segunda experiencia consiste en hacer girar el eje superior balanceado con los mismos rodamientos fallados, pero ahora se debe desalinear el eje tanto paralela como angularmente igual que en la experiencia N 2 y tomar los datos correspondientes a la amplitud de vibración y temperatura. también se deben tomar observaciones de sonido y funcionamiento de las uniones; cabe señalar que se debe variar la velocidad del eje al igual que en la experiencia anterior. La tercera experiencia consiste al igual que la prueba anterior en desalinear el eje pero ahora en vez de analizar los descansos y uniones del eje analizar las distintas cajas de engranajes tanto las falladas como las que están buenas y a la vez analizar el comportamiento de la transmisión de la correa. Análisis y conclusiones a obtener: En estos ensayos el usuario deberá analizar las características que presentan los componentes fallados sometidos a las distintas condiciones de desbalance y desaliniación y compararlos con los componentes cuando están en buenas condiciones, analizar y comparar la vibración que presentan los distintos componentes, al igual que deberá reconocer cual es ruido característico de cada uno de estos componentes con y sin fallas a su vez cual es su temperatura en estas anormales condiciones de funcionamiento. 27

44 CAPITULO 4 DISEÑO CONCEPTUAL DEL BANCO 28

45 Diseño conceptual del banco: Debido a que en los capítulos anteriores ya quedaron definidas las pruebas que se debieran realizar en un banco diseñado para un laboratorio de mantención, por lo tanto, en este capitulo se debe pasar al diseño de éste. A continuación se muestra un dibujo del banco que se adapta a las condiciones para realizar todas las pruebas o ensayos descritos en él capitulo anterior. Se llegó a este modelo estudiando cual seria la forma mas cómoda y segura de realizar todas las pruebas descritas en el capitulo anterior y además comparando este diseño con otros bancos que realizan estudios individuales de los mecanismos a estudiar por este banco. La mesa motor será donde se alojará el motor En los rotores se producirá el desbalance de masa La plataforma desalineadora producirá la desalineación del eje superior con respecto al eje del motor En la caja de engranajes se realizará el estudio de los engranajes El rodillo tensor es el encargado de tensar la correa de transmisión En los descansos se estudiaran los rodamientos 29

46 CAPITULO 5 DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL BANCO 28

47 Diseño y selección de componentes. En este capitulo se debe empezar por seleccionar, diseñar y calcular cada uno de los componentes del banco por ejemplo seleccionar el motor, el variador de frecuencia, calcular la transmisión por correas, diseñar el eje superior, la caja de engranajes, soportes, etc Selección del motor. El motor que llevará este banco no requiere de una gran potencia debido que no existe una carga considerable, todos los elementos que el banco lleva montados y a los que el motor debe proveer de movimientos son livianos y ejercen muy poca carga por lo que el motor a montar debe tener una potencia baja y alcanzar altas velocidades(aproximadamente 3000 r.p.m.). Al buscar en un catalogo de motores eléctricos VEM el motor seleccionado tiene las siguientes características: Marca VEM Motor trifasico, jaula de ardilla. Modelo K21 R 71 K2 Potencia 0.4 (KW) 2780 r.p.m. Peso 6.7 (kg) Cabe señalar que el motor irá montado sobre una mesa la cual se describe en el plano constructivo del banco (Plano N 1 y N 2) Selección del variador de frecuencia: Debido a que todas las experiencias llevan consigo una gama de velocidades que van desde 1500 r.p.m. hasta las 3750 r.p.m. para una prueba de corta duración en la caja de engranajes, es que es necesario que el banco disponga de un variador de frecuencia que se adapte a las características del motor y que éste sea capaz de alcanzar las velocidades requeridas por el banco. Al buscar en Internet distintos variadores de frecuencias, se selecciono un variador con las siguientes características: Marca Mitsubishi Modelo FR-U120 Potencia de Motor a controlar 0.4(Kg) Salida a 240(v) trifásico 29

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