ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN ELEMENTOS

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1 ARTÍCULO DE REFLEXIÓN EN ELEMENTOS ROTACIONALES CON VARIACIÓN DE TEMPERATURA, PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DESVIACIÓN DE LA VIDA ÚTIL Iván Darío Gómez Lozano* Asdrual Lara / David H. Hernández** RESUMEN Hoy en día es asequible la tecnología del mantenimiento predictivo, siendo el análisis de vibraciones uno de los más usados por su versatilidad y aplicabilidad. Las condiciones de operación de los equipos; varían de forma considerable según medio ambiente, operación e instalación. Una de las condiciones que determinan la vida útil de un sistema: es la temperatura, y al considerar el comportamiento de los materiales (más aún los metales), la dilatación de estos; cambia las condiciones de operación. Las vibraciones en elementos mecánicos y más aún rotacionales son propias de su comportamiento operacional, por tal razón es posible considerar la variación de la vida útil según la temperatura, teniendo como base sus bases y principios de diseño. PALABRAS CLAVE Mantenimiento Predictivo, Vibraciones, Frecuencia, RMS, Termografía, Espectro, Pico a Pico, Elementos Reciprocantes, Elementos Rotacionales, luz infrarroja, radiación, emisividad. SUMMARY Today it is attainable the technology of the maintenance predictive, being the vibrations analysis one of the most used by its versatility and aplicability. The operation conditions of the equipment; vary in a way considerable according to environment, operation and installation. One of the conditions that determine the useful life of a system: it is the temperature, and upon considering the behavior of the materials (more yet the metals), the expansion of these; change the operation conditions. The vibrations in mechanical elements and more yet rotations they are own of his operational behavior, by such reason is possible to consider the variation of the useful life according to the temperature, having as base their/its bases and design principles. KEY WORDS Maintenance Predictive, Vibrations, Frequency, RMS, Termografíc, Spectrum, Peak to Peak), Elements Reciprocants, Elements Rotation, infrared light, radiation, emisivity. Fecha de recepción del artículo: Fecha de aceptación del artículo: * Ingenierio de la Facultad de Ingeniería, Universidad Libre. ** Coinvestigadores. Facultad de Ingeniería, Universidad Libre. 90 AVANCES Investigación en Ingeniería No. 6

2 INTRODUCCIÓN Analizar el comportamiento de un elementos rotacional bajo condiciones controladas, se hace de cierta manera posible, ya que este por sus características de funcionamiento, son menos las variables a controlar en vibraciones que en elementos reciprocantes. Lo anterior; para determinar las variables y parametrizarlas adecuadamente para su posterior análisis, y así efectuar la segunda etapa con elementos más complejos, con el fin de crear un modelo matemático que de una aproximación en cuanto a la variación de la vida útil. Este concepto se hace con el fin de ser aplicado en el sector industrial, siendo este el más afectado por paradas de equipos debido a fallas en rodamientos, cojinetes, ejes, poleas, engranajes o similares que provocan costos y consecuencias de fallas elevados. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Una de las mayores dificultades que se tiene en la operación de equipos industriales, es la falta certeza de posibilidad de falla de los elementos o sistema considerados como críticos, el impacto de producción y calidad del producto terminado, la seguridad industrial, son conceptos de alta relevancia en los sistemas productivos modernos. Existen varias estrategias de cálculos de confiabilidad o probabilidad de falla, siendo estas basadas; en la estadística de ocurrencia según los tiempos operacionales, tiempos entre fallas y fuera de servicio, estas han demostrado que son verdaderamente efectivas al momento de implementación estratégico en Planes de tercera y Figura 1: Modelo propuesto inicial cuarta generación de sistema proactivos de mantenimiento, pero esta investigación intenta aportar un factor de ajuste o modelo matemático para el cálculo de variación de la vida útil de elementos rotacionales sometidos a cambios de temperatura. DESARROLLO En la parte inicial del proyecto, es necesario diseñar un equipo o banco de medición al cual sea posible controlar las variables de operación: potencia, rpm, temperatura ambiental, temperatura de los equipos a medir, tensión del eje motriz y conducido, así como: dimensiones del banco, eje, poleas y rodamientos. El paso siguiente es diseñar un modo de recolección de datos, acorde al tipo de investigación (Cuantitativa, Exploratoria, Descriptiva), seguido de la parametrización o configuración del software de los equipos de medición (Cámara Termográfica y Analizador de Vibraciones). El medio ambiente del cuarto donde se instaló en banco, es controlado por: corrientes de aire, humedad relativa y temperatura del ambiente. Los elemento instalados en el banco, tienen condiciones de operación nominal, dadas suministrados por el fabricante de los mismos (Rodamientos, ejes, materiales, correas y motor). Estas deben ser estudiadas, para determinar si las utilizadas son acordes al tipo de ensamble del banco. Ya determinando lo anterior, la forma de recolección de datos según un plan de trabajo, marca la pauta y tipo de investigación. En la figura 1, se destaca el modelo del prototipo propuesto, consta de una cámara aislada en la que se encuentra un juego de un eje y dos rodamientos, apoyados en una chumacera y a la vez potenciados por una correa que conecta un motor de 3600 rpm a 110 voltios (1/2 caballo). La función de la campana es suministrar calor a través de unos bombillos (tres, 3) con 250 Watt cada uno, de forma controlada. La polea tanto del eje conducido como conductor, posee tres canales de diferente diámetro para así efectuar pruebas a diferentes condiciones de torque y velocidad. Finalmente fue construido un prototipo de prueba, para caracterizar las condiciones de funcionamiento, las pruebas se inician bajo la idea de contemplar cambios estructurales o de forma al prototipo construido (Figura 2). AVANCES Investigación en Ingeniería No. 6 91

3 Figura 2: Prototipo construido Durante el desarrollo de la investigación está contemplando la reconstrucción total o parcial del prototipo según los resultados obtenidos, para perfeccionar o tener mayor confiabilidad de los resultados. Para el inicio de recopilación de datos, se requiere efectuar el análisis de las condiciones operacionales del prototipo, para que se efectúe de forma controlada, las variables a tener en cuenta son: Temperatura, Humedad Relativa, Corrosión en el ambiente, RPM del Motor, Potencia, dimensiones básicas, diámetro de las poleas, dimensiones del eje, alimentación e instalación del equipo, entre otros. La Vibraciones de un elemento rotacional pueden ser leídas a través de espectros o FFT 1, siendo las unidades de medición: frecuencia (CPM o Hertz), micras, mm/s o mm/s 2. En la figura 3, se muestra como es posible representar las oscilaciones (Vibraciones mecánicas de un elemento), teniendo en cuenta que cada uno de los tipos de elementos o funciones de los mismos, tienen diferentes tipos de vibración, es decir, se tienen modelos diferentes de espectros. El protocolo de toma de datos, parte de una secuencia lógica y ordenada, de tal manera que garantice la veracidad de los datos en tiempo real, además de tener en cuenta la calidad de los datos debido a la tecnología usada como lo son: Una cámara Termográfica FLIR PM675 (Figura 4) y un analizador de vibraciones PRUFTECHNIK Vibscanner Vib (Figura 5), cada uno de los equipos, poseen software de análisis y diagnóstico, que validan la información de forma veraz. Inicialmente, se determinó el tiempo en el que los rodamientos se demoran en adquirir la temperatura normal de operación y su respectiva vibración, obteniendo una curva promedio de temperatura, llegando a determinar que el tiempo de calentamiento en el arranque es de: 26 minutos obtenido después de siete pruebas. Siendo SP1 el aro exterior y SP2 el aro interior de uno de los rodamientos objetos de estudio. Figura 3: Espectro de Vibración FFT 1 FFT: Transformadas de Fourier, aplicadas a modelos matemáticos para la representación de Espectros en vibraciones. 92 AVANCES Investigación en Ingeniería No. 6

4 Figura 4: Cámara Termográfica FLIR Figura 5: Analizador de Vibraciones VibScan Debido a las características de la investigación, fue diseñado un protocolo de toma datos, el cual fue modificado en un principio cuatro veces, debido a que se encontró una variación de temperatura importante en el momento del arranque que presentaba un incremento en los primeros minutos (Figura 6). Se concluyó que los datos deberían ser tomados de forma secuencial y por cada punto, es decir: cada Figura 6: Variación de Temperatura al arranque toma de datos se haría por punto de evaluación. En un rodamiento, se deben tomar mínimo tres puntos de evaluación y medición: 1. Radial horizontal. 2. Radial Vertical. 3. Axial (paralelo al eje), así que se tomó como punto número uno el radial horizontal, tomando los datos de este cada tres minutos, hasta que obtuviera su temperatura regular de operación. La figura 7 muestra el comportamiento del desplazamiento de vibración en micras (µm) en los mismos trece pasos (cada tres minutos) que se tomaron con temperatura; efectuando una regresión, de la misma manera que se tomaron los datos de variación de temperatura. Así como el desplazamiento, se determinó la variación de vibración con Velocidad y Aceleración, obteniendo las gráficas 7 y 8. Indiscutiblemente los rodamientos muestran una variación regular de vibraciones a arrancarse e incrementar la temperatura, su comportamiento en cada prueba y toma de datos a sido en las últimas lecturas muy predecibles. Aun que se ha mostrado un comportamiento y variación esperada y regular en sus partes rodantes, el rodamiento más cercano a la polea; presenta mayor temperatura a los 26.8 minutos y este llega a la estandarización regular de vibraciones de manera más rápida. AVANCES Investigación en Ingeniería No. 6 93

5 Figura 7: Variación de Desplazamiento Figura 8: Variación de Velocidad de Vibración CONCLUSIONES Particularmente se obtuvo una variación de vibraciones con ciertas características, concluyendo que la vibración desde que el elemento rodante se encuentra frío efectivamente es la más alta, y al llegar su temperatura de operación se disminuye hasta llegar a las condiciones dadas por el fabricante dentro de los límites permisibles. Cada arranque en frío castiga la vida útil del rodamiento, ya que presenta una vibración 83.2% más que la de operación regular. La segunda etapa del proyecto consiste en describir y analizar las vibraciones a medida que se va incrementando la temperatura, desde sus condiciones regulares de trabajo; pero este debe hacerse a los 26.8 minutos de arranque, tomar datos cada dos grados Celsius. El incremento de temperatura gradual para la segunda fase será de dos grados Celsius, debido a la sensibilidad que han mostrado los datos en su primera etapa, y debe variarse nuevamente el protocolo contemplando el delta de temperatura. BIBLIOGRAFÍA Introducción a la Termografía Industrial, Silva. Jorge R., Universidad Libre Bogotá Fundamentos y Análisis de Vibraciones, Carlos Villareal, ACIEM Exploración numérica del análisis de Vibraciones aplicado a modelos rotativos, Sánchez R. Andrea, Universidad Nacional, AVANCES Investigación en Ingeniería No. 6

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