UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE SEÑALES DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE RODAMIENTOS Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICA PARA DESBALANCEO ESTÁTICO Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Mecánico. Autores: Cristian Enrique Muñoz Zumba Álbaro Genaro Vera Rodas. Director: Ing. René Vinicio Sánchez Cuenca, Marzo 2015 I

2 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE SEÑALES DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE RODAMIENTOS Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICA PARA DESBALANCEO ESTÁTICO Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Mecánico. Autores: Cristian Enrique Muñoz Zumba enriquel7_@hotmail.com Álbaro Genaro Vera Rodas. gevmania02@hotmail.com Director: Ing. René Vinicio Sánchez rsanchezl@ups.edu.ec Cuenca, Marzo 2015 II

3 DEDICATORIA Lo dedicamos a nuestros padres y a nuestra familia que creyeron en nosotros. III

4 AGRADECIMIENTOS Agradezco al creador de mis padres y de todo lo bueno que me rodea que es Dios, porque fue quien nunca me ha abandonado y me dio los mejores padres del mundo que han hecho todo posible para que yo obtenga una mejor vida, a mis hermanos que con su magnífica forma de ser nunca me han dejado solo en todo momento, a toda mi familia que siempre me han apoyado en todo e indiscutiblemente me apoyaran en un futuro, a mis compañeros de laboratorio Rómulo, Santiago y David por su convivencia agradable y sus anécdotas, finalmente a mis amigos y compañeros que han convivido una vida tan dura como lo es la vida de la universidad. Cristian Enrique Muñoz Zumba IV

5 Agradezco a Dios por darme la fortaleza y la sabiduría para seguir adelante día a día, a mis padres Jorge y Blanca por su apoyo incondicional, sus consejos y cariño brindados para poder cumplir esta meta tan anhelada y seguir con mis objetivos, a mis hermanas Marcia y Gabriela por darme siempre su apoyo, mis sobrinos Romina e Isaac por ser mi motivación, a Rómulo, David y Santiago por su colaboración y su amistad brindada, a familiares y amigos por estar presentes cuando los necesito. Álbaro Genaro Vera Rodas. V

6 DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD Nosotros, Cristian Enrique Muñoz Zumba y Álbaro Genaro Vera Rodas, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente presentado por ningún grado o calificación profesional y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional Vigentes. Cristian Enrique Muñoz Zumba Álbaro Genaro Vera Rodas. VI

7 CERTIFICADO Que el presente proyecto de tesis ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE SEÑALES DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE RODAMIENTOS Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICA PARA DESBALANCEO ESTÁTICO, realizado por los estudiantes, Cristian Enrique Muñoz Zumba y Álbaro Genaro Vera Rodas, fue dirigido por mi persona. Ing. René Vinicio Sánchez VII

8 RESUMEN En este proyecto se realiza el levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y de emisiones acústicas en un sistema mecánico rotativo, simulando fallos en engranajes helicoidales y en rodamientos de una caja de engranajes, esto con el fin de aportar en el estudio de detección y diagnóstico de fallos en maquinaria mediante señales de vibraciones mecánicas y acústicas. De igual manera se desarrolla una guía de prácticas para el balanceo estático de un rotor entre apoyos en un sistema mecánico rotativo, con fines de aprendizaje y manejo del equipo analizador de vibraciones, dirigido para estudiantes de pregrado y personal de la industria referente al área de mantenimiento predictivo. En el capítulo 1, se realiza una introducción al monitoreo de la condición y adquisición de señales mediante vibraciones mecánicas y acústicas, se hace una breve revisión bibliográfica sobre el monitoreo de la condición, se describe técnicas para el monitoreo de la condición de señales de vibraciones mecánicas y acústicas, se enumera las normas utilizadas, la tipología de fallos en engranajes helicoidales y la extracción de caracteristicas de señales de vibración mecánicas y acústicas. En el capítulo 2, se describe la configuración del sistema mecánico rotativo a analizar, se hace una descripción general del banco de vibraciones, se indica la construcción de fallos en engranajes helicoidales y en rodamientos a utilizar en la caja de engranajes para el levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y acústicas. VIII

9 En el capítulo 3, se realiza la toma de la base de datos de señales de vibraciones mecánicas y acústicas, se inicia con una descripción de los equipos utilizados para la medición como son: las tarjetas DAQ, el software de adquisición de datos, los acelerómetros y sensor acústico, se indica la ubicación adecuada en la caja de engranajes de los acelerómetros y el sensor acústico para la toma de señales, según normativas y experimentos anteriores, luego se presentan los planes experimentales en los mismos consta de la nomenclatura de las pruebas realizadas, los fallos en los engranajes y rodamientos que se utilizaron en el experimento, en número de repeticiones de las pruebas y a qué velocidad, cargas fueron tomadas estas pruebas. En el capítulo 4, se presenta una guía de prácticas balanceo estático de un rotor entre apoyos en un sistema mecánico rotativo con un analizador de vibraciones ADASH VA4Pro, esta guía de practica esta dirigirá en general para estudiantes de pregrado de la asignatura de mantenimiento para complementar sus conocimientos teóricos con la práctica. IX

10 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN AL MONITOREO DE LA CONDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE SEÑALES MEDIANTE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS Introducción El propósito del mantenimiento Monitoreo de la condición Técnicas del monitoreo de la condición Parámetros del monitoreo de la condición Ventajas del monitoreo de la condición Limitaciones Técnicas de monitoreo de la condición con señales de vibraciones mecánicas y acústicas Señales de vibraciones mecánicas Señales de vibraciones acústicas Medidas de emisión acústica Normas para la toma de señales de vibraciones mecánicas y acústicas El sistema de las normas ISO Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración Normas para el monitoreo de la condición con emisión acústica Tipología de fallos de engranajes helicoidales Instrumentos de medición de vibraciones mecánicas y acústicas para máquinas rotativas Tipos de medición Tipos de medidores de vibración mecánica Instrumentos para la medición de emisiones acústicas Ruido acústico Esquema de emisión acústica Extracción de características de señales de vibración mecánicas y acústicas en engranajes helicoidales Pasos para la extracción de características de las señales X

11 Parámetros importantes para la medición de vibraciones mecánicas Para medir en rodamientos Para medir en engranajes Parámetros importantes para la medición de emisiones acústicas Conceptos básicos para la medición de vibración Métodos de transformada de señales Formas de la Transformada de Fourier CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO A ANALIZAR Introducción Configuración del sistema mecánico rotativo Banco de vibraciones Configuración de fallos en engranajes helicoidales y rodamientos Designación y selección de engranajes para la construcción de fallos Construcción de fallos en los engranajes helicoidales Fallos en rodamientos Construcción de fallos en los rodamientos Configuración del conjunto de fallos en el sistema mecánico rotativo TOMA DE LA BASE DE DATOS DE LAS SEÑALES DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS Descripción de los equipos para la medición de las señales Software de adquisición de datos Protocolo para la toma de señales Procedimiento y consideraciones para la toma de datos Ubicación de los acelerómetros Ubicación del sensor acústico Alineación en dos planos entre el motor y el eje principal de la caja de engranajes Base de datos Base de datos XI

12 Plan experimental engranajes rectos Canales de adquisición de datos Captación de señal Patrones de fallas Conjunto de datos Base de datos Plan experimental engranajes helicoidales Canales de adquisición de datos Captación de señal Patrones de fallas Conjunto de datos ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICAS Introducción Descripción del banco de pruebas para la guía de practicas Equipo analizador ADASH 4400 para prácticas de balanceo Guía de prácticas para balanceo estático de un sistema mecánico rotativo Pasos para crear un nuevo proyecto El desbalance Configuración del proyecto Validación de la guía de prácticas Evaluación Datos evaluador Resultados de la práctica CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES...86 TRABAJOS FUTUROS BIBLIOGRAFÍA: ANEXOS: XII

13 ÍNDICE DE FIGURAS Capítulo 1 Figura Costo de mantenimiento vs tipo de alerta Figura Técnica para el monitoreo con señales de vibraciones mecánicas Figura Medidas de emisión acústica Figura Fractura del diente Figura Picadura del diente Figura Corrosión del diente Figura Abrasión del diente Figura Rayado del diente Figura Transductores de aceleración Figura Medición de emisiones acústicas Figura Instrumentos de medición para emisiones acústicas Figura Colocación del acelerómetro Figura Orientación de las mediciones Figura Amplitud de una señal Figura Fase entre dos señales Figura Unidades de amplitud Capítulo 2 Figura Banco de pruebas de vibraciones mecánicas Figura Tipos de fallos en engranajes Figura Distribución de engranajes en la caja de elementos dentados Figura Fallos en rodamientos XIII

14 Capítulo 3 Figura Software de adquisición de datos Figura Espectro FFT Figura Espectro FFT de envolvente Figura Espectro de kurtosis Figura Espectro de la señal original Figura Espectro demodulación de resonancia Figura Colocación de los acelerómetros en una caja de engranajes Figura Colocación del sensor acústico Figura Alineación en dos planos Figura Configuración de la caja de engranajes, base de datos Figura Configuración de la caja de engranajes base de datos Capítulo 4 Figura Banco de pruebas Figura Analizador ADASH Figura Analizador ADASH 4400 esquema Figura Conector y Acelerómetro Figura Conector y tacómetro Figura Pantalla de inicio del equipo ADASH Figura Espectro de desbalance en un plano Figura Espectro de desbalance en dos planos Figura Espectro de desbalance en voladizo Figura Configuraciones básicas de balanceo XIV

15 ÍNDICE DE TABLAS Capítulo 1 Tabla Parámetros del monitoreo Tabla Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración Tabla Normas ISO para emisiones acústicas Capítulo 2 Tabla Datos constructivos de los engranajes helicoidales Tabla Datos constructivos de fallos en los engranajes helicoidales Tabla Fallos en engranaje helicoidal Z Tabla Datos constructivos de fallos en los rodamientos Capítulo 3 Tabla Equipos para la medición de señales Tabla Consideraciones antes de la toma de datos Tabla características y descripción de engranajes rectos Tabla Variables para el conjunto de datos de la base de datos Tabla Descripción de fallos Tabla Características y descripción de engranajes helicoidales Tabla Variables para el conjunto de datos de la base de datos Tabla Fallas en engranajes helicoidales Capítulo 4 Tabla Disco para balanceo y sus elementos de montaje XV

16 Tabla Tipos de desbalanceo Tabla Parámetros para la configuración del proyecto XVI

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18 1. INTRODUCCIÓN AL MONITOREO DE LA CONDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE SEÑALES MEDIANTE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS. 1.1 Introducción En la industria, los sistemas rotativos mecánicos más utilizados son generalmente las cajas de engranajes, estas pueden ser de dientes rectos o helicoidales, por lo general los engranajes más utilizados son los engranajes helicoidales por características superiores en eficiencia. Es fundamental contar con un programa de mantenimiento ya que este representara una parte importante en una empresa debido a que fortalecerá la competividad de la misma, además garantizara la disponibilidad de equipos en condiciones de calidad y seguridad adecuadas de operación [1] [2] El propósito del mantenimiento El propósito del mantenimiento en cualquier tipo de negocio es brindar la capacidad de producción a menor costo, el mantenimiento puede considerarse como un servicio de confiabilidad y no de reparación. La producción es la razón fundamental que algunas empresas existan debido que su eficiencia se basa en la capacidad de producción, hay otras empresas como hospitales, transporte, edificios que necesitan sus propias medidas o indicadores de su rendimiento. Una labor de mantenimiento a menudo incluye el reemplazo de piezas importantes de la máquina o mejoras en su diseño, la fiabilidad de esta puede ser medida si esta cumple su función las veces que sean necesarias [3]. Los problemas encontrados en su fase incipiente o temprana serán corregidos a un menor costo, detectar y corregir un problema más tarde su costo de reparación será mayor, en la 2

19 figura 1.1 se observa que el costo del mantenimiento se incrementa mientras más tarde se detecte y se corrija el problema [4]. Figura Costo de mantenimiento vs tipo de alerta. Fuente [4]. 1.2 Monitoreo de la condición El monitoreo de la condición es una herramienta para determinar la salud y el estado de una maquina por medio del control de los parámetros los cuales reflejan el estado de la misma. Este tipo de mantenimiento puede efectuarse en intervalos irregulares y no en fijos como es el caso del mantenimiento periódico preventivo, lo principal en este mantenimiento es levantar la información del estado y condición de la máquina, y así realizar las acciones correctivas en el tiempo oportuno [5] [6]. Se puede lograr un mantenimiento eficaz por medio de un mantenimiento basado en la condición (MBC) este mantenimiento se lo realiza en respuesta, a un cambio de los 3

20 parámetros en el monitoreo de la condición de la maquina es decir a un deterioro significativo de la misma, No se efectúa ningún mantenimiento mientras la condición no cambie [7][8] Técnicas del monitoreo de la condición Existe varias técnicas del monitoreo de la condición que se llevan a cabo por personal de mantenimiento de la propia empresa o especialistas externos, una ventaja es integrar estas técnicas en una base de datos común con la que se pueda contar para tareas futuras de mantenimiento. Las técnicas usadas para el monitoreo de la condición generalmente ingresan en cinco categorías, la aplicación de estas dependerá de la criticidad de la máquina, sus modos de degradación, los costos del fracaso y su vigilancia, el integrar más de una de estas técnicas es fundamental [7]. Las técnicas utilizadas para el monitoreo del comportamiento de un equipo, se lo realiza a través de una medida o seguimiento de varios parámetros físicos, las técnicas más utilizadas son: Análisis de lubricantes Análisis de emisiones acústicas Análisis de vibraciones Ensayos no destructivos: Inspección visual, tintas penetrantes, partículas magnéticas, radiografías, ultrasonido, termografía infrarroja, etc Análisis de corriente en máquinas eléctricas Con la utilización de las distintas técnicas de monitoreo se puede programar una acción correctiva, además lograr disminuir las fallas catastróficas aumentando la vida útil de los 4

21 equipos, estas técnicas de monitoreo tienen su campo de aplicación en el cual se puede conseguir mayor beneficio y el hecho de utilizarlas de manera combinada potencia la eficacia de su aplicación [2] Parámetros del monitoreo de la condición Los parámetros del monitoreo de la condición pueden ser de orden mecánico, eléctrico y químico; estos dependerán del tipo de maquinaria y los procesos que realicen, tal como se muestra en la tabla 1.1. Tabla Parámetros del monitoreo. Fuente: [9]. Parámetros Mecánicos Parámetros Eléctricos Parámetros Químicos Vibraciones Aceleración Velocidad Caudal Tensión Deformación Presión Voltaje Frecuencia Amperaje Potencia Acidez Alcalinidad Conductividad 5

22 Ventajas del monitoreo de la condición Varias empresas han tomado al monitoreo de la condición como una herramienta fundamental inmersa en la cultura organizacional de estas, algunas empresas a largo plazo ya no se complican en determinar los costos y beneficios de este mantenimiento [7]. A continuación se muestran algunas ventajas: Disminuye las interrupciones del servicio debido a fallas y averías Reduce los costos de mantenimiento al permitir alcanzar el máximo ciclo de vida de equipos y maquinarias, y no producirse recambios que no son necesarios Incrementa sustancialmente la confiabilidad de equipos y maquinaria Disminuye el estrés causado por la presencia constante de emergencias [9] Limitaciones El costo inicial de implementar este sistema y la adquisición de instrumentos para el diagnóstico es inicialmente alto Requiere de personal especializado para la operación de equipos e instrumentos Requiere capacitación constante en las técnicas de interpretación y diagnóstico [9] 6

23 1.3 Técnicas de monitoreo de la condición con señales de vibraciones mecánicas y acústicas Se puede decir que el análisis dinámico basado en la medición de vibraciones mecánicas es la técnica más utilizada para realizar el diagnostico de una máquina rotativa, la cual se abordará en el presente capítulo, de igual forma la técnica del monitoreo con señales de vibraciones acústicas Señales de vibraciones mecánicas La técnica más básica de monitoreo de vibración mecánicas es medir el nivel general de vibraciones en una amplia banda de frecuencias. El nivel de vibración medido será un indicador de la condición. Al conocer la relación entre las frecuencias y los tipos de defectos, los analistas de vibración pueden determinar la causa y la gravedad de los fallos o condiciones problemáticas. La historia de la máquina y el patrón de degradación de la misma es importante para determinar el estado de su funcionamiento actual y futuro. Con la aplicación del análisis de vibración se puede monitorear las siguientes condiciones en máquinas rotativas: Las grietas y la rugosidad en componentes del elemento de rodamientos Desequilibrio de las máquinas giratorias Desalineación de eje Problemas de acoplamiento Curvas, arcos y las grietas en los ejes El exceso de desgaste de los cojinetes de la manga Las piezas sueltas Desalineación o daño en dientes del engranaje El deterioro causado por piezas rotas o faltantes 7

24 El deterioro causado por la erosión y la corrosión Resonancia de los componentes Efectos eléctricos En la figura 1.2, se indican algunas técnicas para el monitoreo con señales de vibraciones mecánicas. Figura Técnica para el monitoreo con señales de vibraciones mecánicas. Fuente [10]. 8

25 Señales de vibraciones acústicas El monitoreo de vibraciones acústicas es otra técnica para realizar el monitoreo de la condición de una máquina rotativa, de igual forma que la de vibraciones mecánicas no afecta el funcionamiento normal de la máquina, se la denomina esta técnica generalmente de emisiones acústicas. La alta sensibilidad de emisiones acústicas en la detección de la pérdida de integridad mecánica en comparación con la técnica de monitoreo de la condición con vibraciones mecánicas es una ventaja para el monitoreo de la salud de la máquina. Con las emisiones acústicas se puede detectar cambios sutiles relacionados con defectos de la maquinaria, incluso cuando está girando muy lentamente. Cuando la sensibilidad de detección de fallos es la consideración principal para elegir una tecnología de monitoreo de la condición, los sensores de emisión acústica muestran su eficacia y superioridad de producir una indicación detectable de un pequeño defecto, es decir las emisiones acústicas puede proporcionar una alerta temprana de problemas incipientes [11][12] Medidas de emisión acústica Las señales de emisiones acústicas se pueden registrar y analizar utilizando diferentes técnicas. La primera técnica se denomina la técnica clásica de emisiones acústicas llamada medición de datos por impulso de golpe y la segunda técnica medición de datos por impulso de tiempo. La extracción de la información requerida de las señales detectadas es lo referente al procesamiento de señales [11]. 9

26 Figura Medidas de emisión acústica. Fuente [11] 1.4 Normas para la toma de señales de vibraciones mecánicas y acústicas En el presente ítem se presentara las normativas para realizar el monitoreo de la condición con señales de vibraciones mecánicas y de señales de emisiones acústicas. 10

27 El sistema de las normas ISO En el campo del monitoreo y análisis de vibraciones en máquinas existe una gran variedad de normas que destacan, publicadas por la organización internacional de normalización (ISO), en la mayoría de los casos estas normas han sido desarrolladas en consenso por los consumidores y fabricantes [10]. La normalización en el campo de la vibración mecánica y el monitoreo de la condición el diagnóstico de máquinas, incluyen: Terminología Excitación por las fuentes, tales como máquinas y vibración de dispositivos de prueba de choque Eliminación, reducción y control de vibraciones, especialmente por el equilibrio, el aislamiento y la amortiguación Medición y evaluación de la exposición humana a vibraciones y golpes Métodos y medios de medición y calibración Métodos de prueba Métodos de medición, manejo y procesamiento de los datos necesarios para llevar a cabo el monitoreo de la condición y diagnóstico de máquinas [13] Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración Las normas para la evaluación de la severidad de la vibración se considera una de las actividades más importantes de la norma ISO / TC108. Debido a la alta gama de categorías de máquinas y sus clasificaciones, existen una amplia variedad de normas publicadas para describir los límites de vibración aceptables, incluyendo la ISO 7919 "vibración mecánica de las máquinas no-recíprocas - Mediciones en los ejes y criterios de evaluación de rotación" y la serie ISO "Mecánica vibración - evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en partes no giratorias [14]. 11

28 Tabla Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración. Fuente: [15]. NORMA NOMBRE ISO 7919 La vibración mecánica de las máquinas no-reciprocantes- Medición de ejes giratorios y criterios de evaluación ISO : 1996 ISO : 2001 Parte 1: Directrices Generales Parte 2: Turbinas y generadores de vapor en tierra de más de 50 MW con velocidades normales de funcionamiento de r / min, 1800 r / min, 3000 r / min y r / min ISO : 1996 ISO : 1996 Parte 3: Acoplado de máquinas industriales Parte4: Conjunto de turbinas de gas ISO : 1997 Parte 5: Conjunto de máquinas hidráulica y plantas de bombeo de generación de energía ISO Evaluación de Máquinas- Vibraciones y Medición de partes no rotativas ISO Parte 1: Reglas generales ISO Parte 2: Turbina de gas y Generadores sobre 50 MW con velocidades de operación de: 1500 rpm, 1800 rpm, 3000 rpm y 3600 rpm 12

29 ISO Parte 3: Máquinas industriales con potencia nominal por encima de 15 kw y velocidades entre 120 rpm y rpm, medidas In Situ ISO Parte 4: Para Turbinas a Gas, excepto los derivados de aviones ISO Parte 5: Máquinas con potencia hidráulica, plantas generadoras y de bombeo ISO Parte 6: Corresponden a máquinas reciprocicantes con potencia por sobre a 100 Kw ISO Parte 7: Bombas rotodinámicas para la aplicación industrial ISO :2014 Monitorización de estado y diagnóstico de máquinas - Requisitos para la calificación y evaluación de personal - Parte 2: Estado de monitoreo de vibraciones y diagnóstico ISO :2004 Rodamientos - métodos de medición de vibraciones - Parte 1 : Fundamentos Normas para el monitoreo de la condición con emisión acústica En la siguiente tabla se enumeran las normas del monitoreo de la condición con señales de emisión acústica, medición, evaluación y diagnóstico de máquinas. 13

30 Tabla Normas ISO para emisiones acústicas. Fuente: [15][16][17]. NOMBRE NORMA ISO 22096:2007 Monitoreo de la condición y diagnóstico de máquinas - emisión acústica ISO/TR 13115:2011 Ensayos no destructivos - Métodos para la calibración absoluta de transductores de emisión acústica mediante la técnica de la reciprocidad ISO :2014 Monitorización de estado y diagnóstico de máquinas - Requisitos para la calificación evaluación de personal - Parte 6: La emisión acústica ISO 12716:2001 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones acústicas Vocabulario ISO 12713:1998 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones acústicas - calibración primaria de transductores ISO 12714:1999 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones acústicas - calibración secundaria de sensores de emisión acústica 1.5 Tipología de fallos de engranajes helicoidales Existen diferentes tipos de fallos en engranajes, estos fallos son similares tanto para los engranajes rectos como para engranajes helicoidales, en lo que a causas se refiere, las causas más comunes se enumeran a continuación [18]: 14

31 Fractura del diente: Es producido por una fuerza que supera la carga admisible del diente figura 1.4. Figura Fractura del diente. Fuente: [19]. Picadura: Es producido por la fatiga que se da por un contacto de esfuerzo continuo y en el diente, se observa en la figura 1.5. Figura Picadura del diente. Fuente: [20]. 15

32 Corrosión: Es producido por una reacción química que se da en el diente debido a sustancias o fluidos, se observa en la figura 1.6. Figura Corrosión del diente. Fuente: [20]. Abrasión: Sucede por el contacto con partículas que están presentes en el lubricante y que produce el desprendimiento de material en el diente, figura 1.7. Figura Abrasión del diente. Fuente: [21].. 16

33 Ralladura: Ocurre por el contacto de fricción entre los dientes y la falta de lubricación, figura 1.8. Figura Rayado del diente. Fuente: [22]. El rayado es un desgaste abrasivo caracterizado por líneas cortadas en la dirección de deslizamiento. Este tipo de daño también se produce por contaminantes en el lubricante y puede ser eliminado mediante la sustracción de los mismos [23]. 1.6 Instrumentos de medición de vibraciones mecánicas y acústicas para máquinas rotativas Los instrumentos de medición de señales que se describe en esta sección sirven para entregar datos de señales de variables físicas y posteriores a su análisis, diagnosticar el estado de la máquina rotativa Tipos de medición Existen 2 tipos de medición, la primera es la medición de forma directa en la que la información se obtiene directamente del equipo medido y el otro tipo de medición es la 17

34 medición indirecta en la que además se necesita de fórmulas para obtener la información de medición [24] Tipos de medidores de vibración mecánica Los medidores de vibración se clasifican por el tipo de transductor de señal. Transductor de desplazamiento relativo sin contacto Transductor de desplazamiento relativo de contacto Transductor de velocidad Transductor de aceleración Los más utilizados son los transductores de aceleración debido a su mayor rango de frecuencia, a su tamaño y a las ventajas de que a través de una integración de señal se puede obtener la velocidad o desplazamiento vibratorio [25]. Transductores de aceleración Acelerómetro mecánico Acelerómetro capacitivo Acelerómetro piezoeléctrico Acelerómetros piezoresistivos Acelerómetro térmico Figura Transductores de aceleración. Fuente: [26] [27] [28].. 18

35 Instrumentos para la medición de emisiones acústicas La emisión acústica es la ciencia que trata de la generación, transmisión, recepción y efectos de sonido. También se puede decir que es el sonido detectable en la estructura o transmitido por el aire que puede manifestarse como una señal en objetos mecánicos. La tecnología acústica incluye frecuencias tan bajas como 2 Hz y tan altas como la gama MHz. A través de un proceso de filtrado que pasa la banda de frecuencia, y la selección de sensores, los usos potenciales para pruebas acústicas para diagnosticar la condición del equipo y operatividad es prácticamente ilimitada, debido a que los monitores acústicos pueden filtrar el ruido de fondo, que son más sensibles a las pequeñas fugas que el oído humano, y pueden detectar ruidos anormales de bajo nivel antes que las técnicas convencionales. También pueden ser utilizados para identificar la ubicación exacta de una anomalía. Debido a su amplio espectro de frecuencias, la acústica se divide en dos rangos, la gama sónica y el rango ultrasónico. Rango Sónico (0 Hz - 20 khz) incluye todas las frecuencias en el rango de audición de los humanos e incluye todas las frecuencias utilizadas en el análisis de vibración mecánica y detección de fugas de baja frecuencia (2 Hz - 20 khz) Rango ultrasónico (20 khz - 1 MHz) se utilizan en la detección de la cavitación, la emisión acústica, la detección de fugas de alta frecuencia y la detección de descargas parciales. Cada uno de estos rangos de frecuencia hace uso de transductores de contacto y no contacto, como micrófonos, acelerómetros y transductores resonantes de alta frecuencia [29] Ruido acústico Es un sonido complejo no deseado y que produce molestias al oído humano, dentro de una señal de vibración o emisión es la parte que no representa importancia pero representa una contaminación en la señal [30][31] 19

36 Esquema de emisión acústica Para estos transductores los sensores se dividen principalmente en piezoeléctricos, electrodinámicos, capacitivos entre otros, los cuales tienen un funcionamiento muy parecido a los acelerómetros para vibración, figura Figura Medición de emisiones acústicas. Fuente: [32]. A continuación en la figura se citan algunos dispositivos para la medición de emisiones acústicas. Figura Instrumentos de medición para emisiones acústicas. Fuente: [33] [34] [35]. 20

37 1.7 Extracción de características de señales de vibración mecánicas y acústicas en engranajes helicoidales Para le extracción de señales es necesario describir los parametros a tener en cuenta para realizar el levantamineto de datos de señales de vibraciones mecanicas y emisiones acusticas Pasos para la extracción de características de las señales Para la extracción de características de señales de vibración y emisiones acústicas siguen los siguientes pasos: 1. Realizar el montaje mecánico de los elementos que se va a analizar en el banco de pruebas. 2. Ubicar los sensores de aceleración dependiendo del elemento que vamos a analizar, cabe decir que el acelerómetro debe estar situado de manera perpendicular al elemento a analizar y de ser necesario se debe evitar interferencias de ruido o señales eléctricas adicionales que se pueden dar en el contorno mediante filtros de paso alto y de paso bajo. 3. Encender los equipos con el procedimiento correcto y configurar los parámetros que se requieren para la toma de datos, encender el motor a velocidades específicas. 4. Tomar datos, estos se obtienen de las señales que son enviadas de los acelerómetros o el sensor acústico a la tarjeta receptora de señal (DAQ) que se encarga de transformar el tipo de señal a un espectro. Con los espectros de las características del funcionamiento de los elementos, se analiza si están relacionados a la realidad del estado de los equipos y posteriormente guardar los datos tomados. 21

38 Parámetros importantes para la medición de vibraciones mecánicas Para una extracción correcta de señales, el montaje de los acelerómetros juega un papel importante. La ubicación de los acelerómetros tanto para la medición de vibración en rodamientos como para engranajes difiere levemente y se describir a continuación Para medir en rodamientos Ubicación de los puntos de prueba: Como se muestra en la figura 1.12, los acelerómetros se deben colocar lo más cerca posible del rodamiento en una parte de metal sólido, el acelerómetro debe estar de forma radial al rodamiento. Figura Colocación del acelerómetro. Fuente: [36]. Para los motores de menos de 50HP el acelerómetro debe ser colocado en un punto de prueba y para los motores de más de 50HP se debe colocar un acelerómetro por cada rodamiento. Como se muestra en la figura 1.13, una medición triaxial es utilizado para comprobar el estado de una máquina, esto quiere decir que se harán mediciones en 3 direcciones(radial, axial y tangencial al rodamiento) en cada punto de medición. [36]. 22

39 Figura Orientación de las mediciones. Fuente: [36] Para medir en engranajes La ubicación de los acelerómetros está dada por la norma ISO , la misma indica que la medición de vibración debe realizarse en una parte no rotatoria de la máquina, en el descanso del eje o del engranaje por ejemplo, y de no ser posible la colocación en estos puntos, la norma indica que se debe colocar en la carcasa o en algún punto seguro para realizar la medición. En los engranajes rectos los acelerómetros deben ser ubicados en forma radial y tangencial al engranaje, mientras que en los engranajes helicoidales los acelerómetros deben ser colocados en forma radial y axial al engranaje [37] Parámetros importantes para la medición de emisiones acústicas Se necesita tomar en cuenta algunos parámetros como, la ubicación del montaje de los dispositivos para la extracción de señales de emisiones acústicas, el ruido del entorno que puede afectar la señal. 23

40 Conceptos básicos para la medición de vibración En el estudio de la extracción de características que entrega las señales de vibración mecánicas y las emisiones acústicas, se requiere conocer algunas definiciones de aplicación a la medición de la amplitud de vibraciones mecánicas, entender también las características de las señales y su comportamiento, para la obtención de conocimientos básicos. Amplitud pico (pk) Se define como la distancia del punto de equilibrio a la distancia máxima de la onda (A), esto se muestra en la figura Figura Amplitud de una señal. Fuente: [36]. Amplitud pico a pico (pk-pk) Se define como la distancia máxima desde una cresta negativa a una cresta positiva, como el caso de una onda senoidal, la amplitud pico a pico es la amplitud pico multiplicado por dos debido a que una onda senoidal es simétrica. 24

41 Amplitud Es la raíz del promedio de los cuadrados (RPC) de los valores de la onda medida y este valor es proporcional al área bajo la curva. Luego si es que se rectifica a los valores de los picos negativos (se les hace positivos), la curva resultante esta promediado a un nivel medio que es proporcional al RPC. Fase Como se explica en la figura 1.15, es el desplazamiento de tiempo entre dos ondas que es medida en términos de ángulos (radianes o grados), un ejemplo claro es un desplazamiento de fase de 360 grados que es un retraso de un periodo o de un ciclo y un desplazamiento de fase de 90 grados es un desplazamiento de un cuarto del ciclo y estos desplazamientos pueden ser consideradas negativas o positivas [36]. Figura Fase entre dos señales. Fuente: [36]. Ancho de fase Es una medida de la relación de temporización entre dos señales, en el análisis de un solo canal de vibración, esta relación es entre la amplitud de pico de la señal de vibración y el disparo del tacómetro. La diferencia de tiempo se utiliza para calcular el ángulo de fase. El analista utiliza fase al equilibrar un rotor para localizar el punto pesado. La fase es también 25

42 una herramienta útil para detectar fallos como desequilibrio, desalineación, la excentricidad, la flojedad, pata coja, desalineación teniendo, resonancia y otras condiciones del problema. Mediciones de fase son muy importantes en el diagnóstico y corrección de máquinas desbalanceadas [29]. Frecuencia La frecuencia viene dado por (1/T) por lo que es el reciproco del periodo y está definido como el número de ciclos que se da en un segundo y su unidad es el Herzio (Hz) [30]. Unidades de amplitud Por lo general el desplazamiento se mide en milésimas de pulgada y se usa el valor pico a pico como costumbre más que por factibilidad, figura Figura Unidades de amplitud. Fuente:[31]. Velocidad Se mide en pulgadas por segundo y se usa el valor pico o en RPC, por costumbre se usa el valor pico. 26

43 Aceleración Se mide en G (gravedad) o en pulgadas por segundo al cuadrado pero por lo general se usa G que equivale a 386 pulgadas por segundo al cuadrado. Ruido Se denomina ruido a cualquier perturbación de tipo eléctrica, electromagnética, mecánica o acústica que interfiere en la señal de la toma de datos uniéndose al espectro característico producido por la vibración del elemento que se está analizando [38] Métodos de transformada de señales Para la obtención de las características de las señales podemos usar algunos métodos de transformación de señales, entre ellos, el método para transformar estas señales en dominio de la frecuencia es la transformada de Fourier Formas de la Transformada de Fourier Serie de Fourier La serie de Fourier se utiliza para realizar un análisis de frecuencias de señales periódicas pero mas no un análisis de señales continuas o aleatorias y cuyas señales repiten su forma en un número infinito de veces, esta serie muestra señales que son representadas con una suma de funciones de senos y cosenos cuyas frecuencias son múltiplos del periodo de la señal de tiempo. 27

44 Coeficientes de Fourier La determinación de los coeficientes de Fourier sirven para transformar del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia, y permiten de ser necesario regresar o transformar del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo sin perder información. Transformada integral de Fourier Puede transformar una señal continua de tiempo de forma arbitraria en un espectro continuo con una extensión de frecuencias infinita. Una característica interesante de la transformada de Fourier es el hecho que un evento que abarca un periodo de tiempo corto se extenderá sobre un largo rango de frecuencias o viceversa. Transformada discrecional de Fourier Resulta difícil los cálculos en computadoras digitales con la transformada de Fourier entonces la transformada discrecional de Fourier (TDF) fue creada pese a que quien la concibió probablemente por primera vez no tenía una computadora digital. La TDF trabaja con una señal de muestras discreta en el dominio del tiempo y a partir de esta se genera un espectro discreto en el dominio de la frecuencia. El espectro resultante es una aproximación de la serie de Fourier gracias a que se pierde la información entre las muestras de la forma de onda. Transformada rápida de Fourier La transformada rápida de Fourier (TRF) es una manera rápida y eficaz de calcular la TDF mediante un algoritmo. El rango de frecuencias cubierto por el análisis TRF depende de la cantidad de muestras recogidas y de la proporción de muestreo [36]. 28

45 29

46 2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO A ANALIZAR 2.1. Introducción Este capítulo muestra los fallos simulados en engranajes helicoidales y rodamientos para una caja de engranajes del banco de vibraciones del laboratorio de la Universidad Politécnica Salesiana. Para posteriormente realizar un levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y acústicas Configuración del sistema mecánico rotativo Banco de vibraciones El banco de vibraciones utilizado para levantar los datos de vibraciones mecánicas y acústicas consta con los implementos necesarios para simulación de fallos en engranajes dentro de una caja reductora, fallos en rodamientos, carga axial y radial en el eje de trasmisión a la caja reductora, desbalanceo y desalineación en los ejes de trasmisión. En la figura 2.1, se observa las unidades de mando del banco de pruebas además de su caja de engranes. 30

47 Figura Banco de pruebas de vibraciones mecánicas. Fuente: [39]. Con mayor detalle la descripción del banco se indica en el trabajo de tesis Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos realizada por Santiago Nivelo y David Romero [39] Configuración de fallos en engranajes helicoidales y rodamientos Los engranajes helicoidales se utilizan para reducir la velocidad y aumentar el torque en los sistemas de trasmisión. Con la trasmisión de torque las superficies de los dientes se deslizan uno sobre otro creando tensiones entre ellas, estas tensiones pueden crear raspaduras, desgaste y picaduras en los dientes de los engranajes por causa del contacto de metal a metal, el aceite utilizado para la lubricación ayudara a reducir la gravedad de estos fallos. En el capítulo anterior se citaron algunos fallos que se pueden presentar en este tipo de engranajes, la figura 2.2, muestra tipos de fallos en engranajes [40][41]. 31

48 Figura Tipos de fallos en engranajes. Fuente [41]. 32

49 Designación y selección de engranajes para la construcción de fallos Se realizó la designación de los engranajes helicoidales montados en la caja reductora para lo posterior seleccionar los fallos a simular en los engranajes helicoidales. En la figura 2.3 se observa la disposición de los engranajes helicoidales en la caja reductora y su nomenclatura. Figura Distribución de engranajes en la caja de elementos dentados Construcción de fallos en los engranajes helicoidales La selección para la construcción de fallos en los engranajes helicoidales se realizó mediante una revisión bibliográfica de experimentos realizados en otros laboratorios con el fin que no coincidan las medidas de los fallos y con la supervisión del Ing. Chuan Li, PhD. colaborador del centro de investigación, desarrollo e innovación en ingeniería de la Universidad 33

50 Politécnica Salesiana. En tabla 2.1 helicoidales que se utilizó en el ensayo. se aprecia los datos generales de los engranajes Tabla Datos constructivos de los engranajes helicoidales. Engranajes Módulo Número dientes (ángulo de presión) ψ(ángulo de hélice) Z Z2 y Z Z En la siguiente tabla 2.2, se presentan los fallos fabricados en engranajes helicoidales para la toma de señales de vibraciones mecánicas y señales acústicas. Tabla Datos constructivos de fallos en los engranajes helicoidales. ENGRANAJE TIPO DE FALLO CARACTERÍSTICAS NIVEL DE FALLO Z1 [41] FALLO DESGASTE POR Desgaste de 10% del área de la cara del diente del piñón INCIPIENTE 34

51 ESCORIADO DESTRUCTIVO 25% Z2 [37] RAYADO Y ESCORIADO 2 mm a lo largo del perfil del diente 10 mm a través de la cara del diente INCIPIENTE Profundidad de 0.25 mm FATIGA SUPERFICIAL PICADURA 1 mm del ancho de la cara del diente 0.8 mm de ancho INCIPIENTE Z3 [42] mm de profundidad Desgaste de 2 líneas a lo largo de la DESGASTE cara del diente Profundidad de 0.4 mm INCIPIENTE Ancho 0.7 mm Separación entre líneas 0.7 mm GRIETA ROTURA DIENTE DE Longitud de grieta de 2mm Angulo de la grieta de 45 grados Profundidad de 15% del ancho de la INCIPIENTE cara del diente Z4 Ancho de la grieta 0.5mm 1.2 mm a lo largo del perfil de diente RAYADO Y ESCORIADO (ancho del escoriado) 25 mm a través de la cara del diente (o a la totalidad del diente) INCIPIENTE Profundidad de 0,025 mm Total de engranes 6 35

52 Se fabricó otro tipo de fallo en el engranaje helicoidal de designación de Z1, con rotura de diente, con roturas progresivas hasta su rotura total del diente, estos fallos fueron construidos en un total de nueve engranajes helicoidales. En la tabla 2.3 se describe las características de los fallos. Tabla Fallos en engranaje helicoidal Z1. Fallos de rotura del diente progresivo en Z1 Número de engranaje. Porcentaje de rotura del diente.(%) Medida del material removido.(mm) Imagen , ,

53 , ,

54 Fallos en rodamientos Los fallos en rodamientos pueden darse por un montaje inadecuado, una inadecuada lubricación, por ingreso de partículas externas, flexión excesiva del eje o una combinación de estas causas. Si se examina solo la parte en la que se presentó el problema, será complicado determinar la causa del mismo, entonces, si se conoce las características de funcionamiento de la máquina, como sus condiciones de trabajo, la configuración de sus elementos, la situación anterior de funcionamiento, se puede interrelacionar estas características con el daño en el rodamiento y posibilitar la prevención de que estos daños se vuelvan a repetir [43]. Figura Fallos en rodamientos. Fuente [37]. 38

55 En la figura 2.4, se aprecia una clasificación general de daños que pueden presentarse en rodamientos Construcción de fallos en los rodamientos Los fallos construidos en los rodamientos fueron severos, se utilizaron tres rodamientos con fallos en sus componentes como fueron. Fallo en la pista externa Fallo en la pista interna Fallo en el elemento rodante Los fallos fueron construidos en rodamientos de tipo NTN 6005LLUC3/2AS los cuales son utilizados en la caja de engranajes. En la tabla 2.4 se indican los fallos construidos en rodamientos con sus respectivas medidas. Tabla Datos constructivos de fallos en los rodamientos. Rodamientos NTN 6005LLUC3/2AS Pista interior Picadura de 2.0 mm de diámetro y profundidad de 0.2 mm 39

56 Pista exterior Picadura de 2.0mm de diámetro y profundidad de 0.2 mm Elemento rodante Una picadura en la bola de 2.0 mm de diámetro y cono de Configuración del conjunto de fallos en el sistema mecánico rotativo La configuración del conjunto de fallos se realizó de acuerdo al plan experimental presentado por los colaboradores del centro de investigación para la utilización de los fallos fabricados en los engranajes y en rodamientos disponibles en el laboratorio, con más detalle se describen los planes experimentales en el capítulo 3. Las consideraciones que se tomaron en cuenta antes de levantar los datos de señales de vibraciones mecánicas y acústicas, fueron las siguientes: 1. Verificar que el motor con la caja de engranajes estén alineados con el objeto que no surjan datos erróneos en la adquisición de datos. 2. El montaje de los elementos en la caja de engranajes debe hacerse con el mismo procedimiento para todas las pruebas del ensayo. 40

57 3. Verificar que las señales obtenidas con los elementos en buenas condiciones sean las correctas, que no presenten filtraciones como ruido eléctrico y bandas que indiquen fallas en el espectro de vibración. 4. Una vez obtenidas las señales de vibraciones mecánicas y acústicas correctas con los elementos de la caja de engranes en buenas condiciones se procederá con el plan experimental de toma de señales para la base de datos. 41

58 42

59 3. TOMA DE LA BASE DE DATOS DE LAS SEÑALES DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS 3.1 Descripción de los equipos para la medición de las señales Es necesario la descripción de los equipos que sirven para la toma de señales para con sus características manipularlos correctamente. La descripción de estos equipos utilizados para el proceso de la toma señales se describe con detalle en el trabajo de tesis Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos [39], por lo tanto se describe brevemente en la tabla 3.1. Tabla Equipos para la medición de señales. Equipos Descripción Imagen Tarjeta de adquisición de datos DAQ Instruments, módulo de 4 canales, chasis con código NI cdaq-9191, envía los datos por vía Ethernet o WI- FI, rango dinamico de 102 db. 43

60 2 Acelerómetros Uniaxial PCB 352C03, sensibilidad mv/g, rango de medición ± 500 g pk, rango de medición (± 5%) 0.5 a Hz, frecuencia de resonancia 50KHz. Software Diseñado en LabView, capaz de variar carga, velocidad, tiempo de muestreo, frecuencia de muestreo, numero de muestras por prueba. Unidad de carga Sistema de freno electtromagnético, ROSATI, Tipo , 8.83kw. [39]. Controlador de carga TDK-Lambda, GEN 1500W, imputrating:b v, 19A, 50/60Hz. 44

61 Variador de frecuencia Marca DANFOSS, modelo FC302 / MCB102, 220VAC, 60HZ,Potencia 2HP Software de adquisición de datos En la figura 3.1, se muestra el software que se usa para la adquisición de datos y la variación de parámetros de la misma. Figura Software de adquisición de datos. Este software fue realizado en LabVIEW y es capaz de realizar configuraciones como variación cargas, velocidad, numero de repeticiones, numero de prueba, tiempo de la toma de señal, para luego estas señales pasarlas al formato.mat mediante una interfaz al programa MATLAB, posteriormente MATLAB entrega espectros de tipo FFT (figura 3.2), FTT (figura 3.3), Kurt (figura3.4), señal original de T-F (figura 3.5) y de resonancia (figura 3.6), como se muestra en las siguientes figuras, posteriormente estos espectros son analizados por 45

62 los doctores Grover Zurita Villarroel PhD experto en el tema de Análisis de vibraciones, Mariela Cerrada Lozada PhD experta en la Detección de fallos en procesos industriales, Chuan Li PHD experto en detección de fallos y análisis de vibraciones. Figura Espectro FFT. Figura Espectro FFT de envolvente. 46

63 Figura Espectro de kurtosis. Figura Espectro de la señal original. 47

64 Figura Espectro demodulación de resonancia. 3.2 Protocolo para la toma de señales A continuación se describe el procedimiento para la toma de señales de vibraciones mecánicas y acústicas y las consideraciones que se deben tomar para una toma de datos correcta debido a que de no hacerlo tendríamos señales erróneas Procedimiento y consideraciones para la toma de datos Existe consideraciones importantes que se debe tomar en cuenta antes de la toma de datos que pueden influir en los resultados obtenidos, estas consideraciones se muestran en la tabla

65 Tabla Consideraciones antes de la toma de datos. Consideración Descripción Tipo de aceite SAE 40 elegido debido a la norma DIN (Gulf EP Lubricant HD 220). Nivel de aceite 35% de la totalidad de la caja de engranajes asegura el contacto de 3 ruedas dentadas con el aceite [44]. Tipo de lubricación Por salpicadura [44] Ubicación de los acelerómetros Para la ubicación de los acelerómetros debe ser mediante una norma y tener las consideraciones siguientes. La medición de vibración está contemplada por la norma ISO , esta norma enuncia máquinas de engranajes y rodamientos tipo reductores, también que la posición de los acelerómetros debe ser en una parte segura no rotatoria de la máquina para el montaje y desmontaje [45]. Los acelerómetros para engranajes helicoidales de acuerdo con la norma deben ser colocados de forma vertical y horizontal al engranaje como se muestra en la figura 3.7, [46][47]. 49

66 Figura Colocación de los acelerómetros en una caja de engranajes. Fuente: [39] Ubicación del sensor acústico El sensor acústico es colocado lo más cerca de la posición de la fuente de emisión acústica, su montaje es realizado mediante una cera especial que es lo que le mantiene adherido a la superficie en la entrada de movimiento de la caja de engranajes como se muestra en la figura 3.8 [48]. Sensor acústico Figura Ubicación del sensor acústico. 50

67 3.2.4 Alineación en dos planos entre el motor y el eje principal de la caja de engranajes La alineación es un factor importante dentro de la toma de datos, debido a que en el caso de que exista desalineación provocara señales adicionales no deseadas en la toma de datos. En la figura 3.9, se muestra como se realizó la alineación paralela y angular entre el acople del motor y de la caja de engranajes con la ayuda de un reloj comparador mitutoyo de resolución de mm. Figura Alineación en dos planos. Luego del montaje de los elementos mecánicos, la conexión de los equipos eléctricos y la preparación del banco de pruebas, se procede a la toma de las señales para la base de datos de acuerdo con el plan experimental. 51

68 3.3 Base de datos Base de datos 1 En la primera base de datos se utilizó engranajes rectos con simulación de fallos y características mostradas en la tabla 3.3 y montadas en una etapa de la caja de engranajes. Tabla características y descripción de engranajes rectos. gears Módule number of teeth Pitch diameter (mm) Outside diameter (mm) Inner Diameter (mm) Tooth Height (mm) Tooth width (mm)) Z2 y Z Z Plan experimental engranajes rectos La configuración de la caja de engranajes se muestra en la figura

69 Figura Configuración de la caja de engranajes, base de datos 1. A continuación se muestra el plan experimental para la toma de datos Canales de adquisición de datos (1) Accelerometer 1 (A1) (2) Accelerometer 2 (A2) (3) Real Frequency (4) Voltage (5) Current 53

70 Captación de señal (1) Sampling frequency: 50kHz (for accelerometer) (2) Length of each sample: 10 Sec (3) Repetition of the tests: 5 times for each test (R1, R2,, R5) (3) Rotation Frequency (constant speed): 8Hz (F1), 12Hz (F2), 15Hz (F3) (4) Range Frequency (variable speed): 12-18Hz (V1), 5-12Hz (V2), 8-15Hz (V3) (5) Loads: No Load (L1), 10V (L2), 30V (L3) Patrones de fallas El patrón de fallas determina los parámetros de cada prueba como es, la clase de falla en el piñón, clase de falla en el engranaje, y el número de prueba, como se muestra a continuación. (1) Healthy pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (H01H02, P1) (2) Chaffing tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear, (Z4) (D01H02, P2) (3) Wear tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (W01H02, P3) (4) 25% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B11H02, P4) 54

71 (5) 50% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B21H02, P5) (6) 100% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B31H02, P6) (7) Healthy pinion (Z3-Z2), crack 25% gear (Z4), (H01C12, P7) (8) Healthy pinion (Z3-Z2), crack 100% gear (Z4), (H01C22, P8) (9) Healthy pinion (Z3-Z2), Chaffing 50% gear (Z4), (H01D02, P9) (10) 25% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), crack 25% gear (Z4), (B11C11, P10) Conjunto de datos En la tabla 3.4, se muestra los parámetros variables de la prueba, donde cada repetición será sometida a una variación de frecuencia, carga, y fallo diferente. Tabla Variables para el conjunto de datos de la base de datos 1. Channe Repetition Frequency Loads Faults A1 R1 F1 L1 P1 A2 R2 F2 L2 P2 R3 F3 L3 P3 R4 V1 P4 R5 V2 P5 V3 P6 P7 P8 P9 P10 55

72 Por ejemplo, el nombre del archivo R1F1L1P1.mat significa la repetición 1, 8 Hz, sin carga, piñón sin fallo y engranaje sin fallo. De esta manera, tenemos 5 * 6 * 3 * 10 = 900 conjunto de datos. La descripción de fallos en detalle, la construcción de fallos y la nomenclatura en engranajes rectos se describe en la tesis Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos [39]. La tabla 3.5 muestra las características de las fallas en engranajes rectos utilizadas. 56

73 Tabla Descripción de fallos. Z2_2_3 Z2_3_1 Z2_3_2 Escoriado a lo largo de la cara del diente, al 100 % Profundidad de 1 mm Ancho 2.5 mm Rotura del diente al 25 % Rotura del diente al 50 %, ángulo de la grieta a 45 Chaffing along the tooth face of100% 1 mm depth 2.5 mm width Tooth breakage of 25% Tooth breaking of 50%, crack angle 45 57

74 Z2_3_3 Z3 Z3_2_1 Rotura del diente al 100 % RUEDA DENTADA 3 Desgaste, 2 líneas a lo largo de la cara del diente Profundidad de 0.4 mm Ancho 0.7 mm Separación entre líneas 0.3 mm Tooth breakage of 100 % WHEEL GEAR 3 Wear, two groove lanes along of the tooth face. 0.4 mm depth 0.7 mm width 0.3 mm line spacing 58

75 Z4 Z4_2_1 Z4_3_1 RUEDA DENTADA 4 Escoriado al 50 % 0.7 mm a lo largo del perfil del diente 8 mm a través de la cara del diente Grieta de 4 mm a 45 y 25% de profundidad WHEEL GEAR 4 Chaffing of 50%. 0.7 mm along the tooth profile. 8 mm across of the tooth face Tooth s crack of 4 mm to 45 and 25% depth. 59

76 Z4_3_2 Grieta a lo largo del diente, al 100% Ancho 1 mm Profundidad 4 mm Crack along tooth of 100% 1 mm width 4 mm depth 60

77 3.3.2 Base de datos 2 En la segunda base de datos se utilizó engranajes helicoidales con simulación de fallos y características mostradas en la tabla 3.6, montadas en 2 etapas de la caja de engranajes. Tabla Características y descripción de engranajes helicoidales. Engranajes Módulo Número dientes (ángulo de presión) ψ(ángulo de hélice) Z Z2 y Z Z La configuración de la caja de engranajes para engranajes helicoidales se muestra en la figura

78 Z2-Z4 Z1-Z3 Striped and Chafing Teeth breaking Fault for wear Surface fatigue Z4 Z2 Z3 Z1 Figura Configuración de la caja de engranajes base de datos 2. 62

79 Plan experimental engranajes helicoidales A continuación se muestra el plan experimental para la toma de datos Canales de adquisición de datos (1) Accelerometer 1 (Acc1) (2) Accelerometer 2 (Acc2) (3) Acustic (AE1) (4) Real Frequency (5) Voltage (6) Current Captación de señal (1) Sampling frequency: 50kHz (for accelerometer and acustic sensor) (2) Length of each sample: 10 Sec (3) Repetition of the tests: 5 times for each test (R1, R2,, R5) (3) Rotation Frequency (constant speed): 8Hz (F1), 12Hz (F2), 15Hz (F3) (5) Loads: No Load (L1), 10V (L2), 30V (L3). 63

80 Patrones de fallas El patrón de fallas determina los parámetros de cada prueba como es, la clase de falla en el piñón, clase de falla en el engranaje, y el número de prueba, como se muestra a continuación. (1) Healthy Z1, Z2, Z3, Z4, B (HHHHH, P1) (2) Wear Z1, healthy Z2, Z3, Z4, B (WHHHH, P2) (3) Chaffing Z2, healthy Z1, Z3, Z4, B (HDHHH, P3) (4) Pitting Z3, healthy Z1, Z2, Z4, B (HHPHH, P4) (5) Wear Z3, healthy Z1, Z2, Z4, B (HHWHH, P5) (6) Crack Z4, healthy Z1, Z2, Z3, B (HHHCH, P6) (7) Chaffing Z4, healthy Z1, Z2, Z3, B (HHHDH, P7) (8) Inner race B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHI, P8) (9) Out race B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHO, P9) (10) Ball B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHB, P10) (11) Misalingment shaft Z2Z3, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HMMHH, P11) 64

81 Conjunto de datos En la tabla 3.6, se muestra los parámetros variables para la prueba, donde cada repetición será sometida a una variación de frecuencia, carga y fallo diferente. Tabla Variables para el conjunto de datos de la base de datos 2. Channel Repetition Frequency Loads Faults Acc1 R1 F1 L1 P1 Acc2 R2 F2 L2 P2 AE1 R3 F3 L3 P3 R4 R5 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 Por ejemplo, el nombre del archivo R1F1L1P1.mat significa la repetición 1, 8 Hz, sin carga, Z1 saludable, Z2, Z3, Z4, B. De esta manera, tenemos 5 * 3 * 3 * 11 = 495 conjunto de datos. En la tabla 3.7, se muestra las características de las fallas en engranajes rectos y rodamientos utilizadas. 65

82 Tabla Fallas en engranajes helicoidales. GEAR TYPES OF FAULTS FEATURES PICTURES Lines together with a depth of 0.30 mm in the totality of the Z1[49] Fault for wear tooth face, 0.5mm of width, 0.30mm of separation between each line Chafing destructive Z2[37] Striped and chafing 2 mm Profile along the tooth, 10 mm trought the tooth face, depth of 0.25 mm Pitting Z3[50] Surface fatigue 1 mm the width of the tooth face, 0.8 mm of width, mm of depth 66

83 Wear Wear of 2 línes along from tooth face, depth 0.4 mm, width 0.7 mm, line spacing 0.7 mm Tooth breakage Fissure on 2 mm teeth to 15% of profundity and angle of 45 Z4 Striped and Chafing 1.2 mm along from tooth (wifth of chafing), across of tooth face (or every tooth), depth 0,025 mm B1 PITTING Inner race of 2.0 mm of diameter and 0.2mm of depth 67

84 B2 PITTING Out race 2.0mm of diameter and 0.2mm of depth B3 PITTING Ball and bearing cage 2.0 mm of diameter and cone of

85 69

86 4. ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICAS 4.1 Introducción En este capítulo se realiza una guía de prácticas sobre el balanceo estático usando el equipo ADASH 4400, el mismo detectara el desbalanceo en un rotor entre apoyos para mediante pesas corregir este defecto Descripción del banco de pruebas para la guía de practicas En la figura 4.1, se muestra el banco de pruebas donde se analiza el balanceo, en esta figura se muestra 2 chumaceras que en las mismas se encuentran dos rodamientos de bolas de doble hilera, las mismas que soportan el eje de transmisión y este soporta un disco con un desbalanceo leve, el eje está conectado a un motor de 2 hp mediante un acople de aluminio, el motor está conectado a una unidad de control que controla al sistema mediante un computador portátil. Figura Banco de pruebas. 70

87 En la tabla 4.1, se muestra el disco para la práctica de balanceo y sus características, el mismo que es montado en el eje de transmisión por un anillo cónico que asegura alineación en su montaje. Tabla Disco para balanceo y sus elementos de montaje. Descripción Elemento Disco de 158 mm de diámetro por 17 mm de espesor con agujero cónico de 35 mm de diámetro (3.36 grados de cono) Anillo con cono sueco marca SKF de 3.36 grados de rápido montaje Jaula para evitar giro del cono 71

88 Tuerca de sujeción del disco Para mayor información de los elementos mostrados en la figura 4.1, ver [39]. 4.2 Equipo analizador ADASH 4400 para prácticas de balanceo Este equipo mostrado en la figura 4.2, tiene la capacidad de analizar espectros de vibración mecánica, acústica, desalineación, balanceo, detección de fallos en elementos de una maquina rotativa, entre otras funciones. El equipo VA4Pro para balanceo incluye muchas funciones especiales internas, que eliminan la influencia del ruido, como cambios de velocidad, por ejemplo. Figura Analizador ADASH

89 En la figura 4.3. (a) (parte superior del equipo) se puede observar la salida de audio (phones), entrada de acelerómetros (in1, in2, in3, in4, trig), botón de encendido (power), mini USB (data), USB, Entrada de la fuente de energía eléctrica para cargar el equipo (bat), y en la la figura 4.2. (b) los botones de control. a) b) Figura Analizador ADASH 4400 esquema. Fuente:[51]. En la figura 4.4, se muestra el cable que sirve para conectar el acelerómetro al Adash Figura Conector y Acelerómetro. En la figura 4.5, se muestra el tacómetro que se conecta en el trigger del Adash, este mide las revoluciones del rotor en RPM. 73

90 Figura Conector y tacómetro En la figura 4.6, se muestra la pantalla principal del equipo ADASH donde está el menú para seleccionar el tipo de análisis que se desea realizar y a su alrededor los botones de control para configurar el equipo. En la parte derecha se tiene las flechas direccionales para mover el cursor y/o seleccionar opciones, más el botón (ok) que sirve para aceptar o ingresar en una opción. En la parte inferior se encuentra los botones de configuración para la selección de los canales por donde entra las señales, luego está el botón global que sirve para ingresar parámetros para todas o algunas funciones, a lado derecho del botón global está el botón de apagado del equipo. Figura Pantalla de inicio del equipo ADASH Fuente: [51]. 74

91 Para el uso de este equipo se debe tomar en cuenta algunos parámetros antes de iniciar un proyecto. Batería cargada al 50% o superior Fuente de carga de 5v Todos los conectores libres de polvo o suciedad Montaje de los acelerómetros con cuidado Limpieza del equipo y libre de humedad Para mayor información sobre este equipo revisar [39]. 4.3 Guía de prácticas para balanceo estático de un sistema mecánico rotativo Esta guía de practica tiene como objetivo el aprendizaje didáctico y básico de manera fácil para balancear un sistema rotativo para los alumnos de la universidad politécnica salesiana. Para la realización de la práctica se necesita los conocimientos previos para el manejo del equipo Pasos para crear un nuevo proyecto. Para crear un Nuevo Proyecto de análisis de desbalanceo se debe conocer una ruta para luego ingresar parámetros que debemos cambiar para configurar el análisis. Desde la pantalla de inicio del equipo, se debe seleccionar equilibrado, con las flechas direccionales presionamos OK (luego de seleccionar la tarea que se requiere se coloca 75

92 OK cada vez), posteriormente se pulsa en la parte inferior proyecto, luego seleccionar nuevo, dar el nombre al proyecto y pulsar OK, ingresar al proyecto. Para la configuración del proyecto creado se debe tener en cuenta algunos tipos de desbalanceo que se pueda tener como: El desbalance Un elemento esta desbalanceado cuando su centro de gravedad no coincide con su centro geométrico, esta condición es causada por una distribución desigual del peso del rotor alrededor de su centro geométrico. Esta condición de desbalance genera una vibración y se presenta a una frecuencia de 1xRPM del elemento rotatorio desbalanceado. También es uno de los mayores problemas de vibración de la industria con aproximadamente 40% de los casos de vibraciones excesivas [52][53]. Existen diferentes tipos de desbalances que podrían cambiar los parámetros en el proyecto de balanceo como se muestra en la tabla 4.2. Tabla Tipos de desbalanceo. Fuente: [53]. Tipo de desbalance Descripción Grafico Desbalance estático Se produce cuando el longitudinal de inercia del rotor está desplazado paralelamente con respecto al eje de rotación 76

93 Desbalance par Se produce cuando el longitudinal de inercia del rotor intercepta al eje de rotación en el centro de masas del propio rotor. Desbalance casi estático Se produce cuando el longitudinal de inercia del rotor intercepta al eje de rotación en un punto arbitrario o sea, un punto que no coincide con el centro de masa del propio rotor. Desbalance dinámico Se produce cuando el eje longitudinal de inercia del rotor no intercepta al eje de rotación y tampoco es paralelo a éste, se puede decir también que el eje longitudinal principal de inercia del rotor cruza al eje de rotación del propio rotor 77

94 A continuación se muestran algunos tipos de espectros para diferentes desbalances: En la figura 4.7, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en un plano. Figura Espectro de desbalance en un plano. Fuente: [53]. En la figura 4.8, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en dos planos. Figura Espectro de desbalance en dos planos. Fuente: [54]. En la figura 4.9, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en voladizo. 78

95 Figura Espectro de desbalance en voladizo. Fuente: [54] Configuración del proyecto La figura 4.10, ilustra las opciones que se puede tener en la configuración del proyecto para balanceo, donde que puede variar la opción de configuración dependiendo del tipo de balanceo que se tenga en el sistema rotario. Figura Configuraciones básicas de balanceo. Fuente: [51]. En esta configuracion se encuentra algunos parametros mostrados en la tabla 4.3, que dependiendo el tipo de desbalance se puede cambiar. 79

96 Tabla Parámetros para la configuración del proyecto. Fuente: [51]. Parametro Descripción Planes Número de discos o rotores (uno o dos) Image Posición de los rotores o discos, pueden ir entre apoyos o en voladizo Rotation Define el sentido de giro Look Dirección del rotor Inputs Número de canales (uno o dos) Channel Canal de entrada de señal Remove trial Las masas de prueba se pueden dejar en el rotor o eliminarlas después de la prueba Balancing masses Se puede agregar masas o quitarlas Blades Los rotores pueden ser con paletas o solo discos Meas mode Indica el modo de medición, existe el modo único, que permite tomar solo un valor de medición y existe la medida en 80

97 línea que permite tener más de una medida una luego de otra Avg Permite sacar promedios de los valores medidos Resolution Amplifica la resolución para el rango de análisis del proyecto 4.4 Validación de la guía de prácticas El formato para evaluar las guías de prácticas, ejecutadas por los estudiantes, analiza ciertos puntos como son: Logros de aprendizaje Estructura básica Estrategia metodológica Materiales educativos La Ficha de valoración de guías de práctica se muestra en [39], en la cual se presenta una evaluación de 21 puntos como máxima, para la aprobación de la guía de práctica como válida se debe obtener una calificación superior al 85% de los puntos. La evaluación realizada por cada estudiante a las guías de prácticas se presenta en el Anexo 81

98 LABORATORIO DE INGENIERÍAS LABORATORIO DE MECÁNICA FICHA DE VALORIZACIÓN DE LA GUÍA DE PRÁCTICAS Nombre de la práctica: Fecha: Hora de inicio: Hora de termino: Evaluación Se evaluaran los puntos mencionados y los indicadores en la fuente [39], y se les proporcionaran un puntaje, el cual deberá cumplir según el reglamento Universitario con el 70% aprobado. ESCALA EQUIVALENCIA PUNTAJE Sobresaliente Cumple óptimamente con lo previsto en el indicador 3 Satisfactorio Insatisfactorio Cumple satisfactoriamente con los requerimientos del indicador Cumple parcialmente con los requerimientos del indicador 2 1 Deficiente No cumple 0 82

99 Señalar con una X dentro del cuadro de la escala de valoración, según el valor que crea aceptable. INDICADOR ESCALA DE VALORACIÓN GUÍA DE PRÁCTICAS A REALIZARSE Logros de Aprendizaje 1.1 Los autores de las guías de prácticas proponen lecturas sobre el tema y facilitan las lecturas de forma impresa. 1.2 Los objetivos de la guía de práctica son mencionados de forma clara y precisa. 2. Estructura Básica 2.1 La guía de práctica contiene una estructura teórica explicativa para la persona encargada de elaborar la práctica. 3. Estrategia Metodológica 3.1 Los autores de las guías de prácticas establecen una serie de procesos y procedimientos lo suficientemente entendibles para que la práctica sea factible. 3.2 Los autores de las guías de prácticas proponen acciones o procesos de aprendizaje: observar, investigar, analizar, sintetizar. 4. Materiales Para La Práctica 4.1 Son factibles las máquinas, equipos, herramientas, software durante la ejecución de la práctica. 4.2 Las máquinas, equipos, herramientas, software entre otras disponen su correcto funcionamiento durante la ejecución de la práctica. 83 PUNTAJE FINAL

100 Datos evaluador Nombre: Ocupación: Estudiante Personal de industria EN CASO DE SER ESTUDIANTE Universidad: Carrera: Ciclo: EN CASO DE SER PERSONAL DE LA INDUSTRIA Profesión: Empresa donde labora: Cargo en la empresa: Firma: 84

101 Resultados de la práctica Los resultados de la práctica se verán reflejados en las conclusiones y en la evaluación de la práctica, establecidas por los estudiantes. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES El aporte de este proyecto permite abordar temas referentes al monitoreo de la condición, el monitoreo de señales de vibraciones mecánicas y acústicas aplicadas a un sistema mecánico rotativo, como es una caja de engranajes helicoidales en el laboratorio de vibraciones de la Universidad Politécnica Salesiana. Se levantó 495 muestras de señales de vibraciones mecánicas y acústicas para distintos fallos en engranajes helicoidales y rodamientos en una caja de engranajes a diferentes cargas y velocidades, esté experimento es un gran aporte al estudio en este campo para diagnóstico y detección de fallos en sistemas mecánicos rotativos. Se realizó la construcción de distintos fallos en engranajes helicoidales y rodamientos en una caja de engranajes del laboratorio de vibraciones, para realizar trabajos y pruebas referentes a este campo de vibraciones mecánicas y acústicas. Se estableció planes experimentales donde se indican las nomenclaturas, el tipo de fallos en engranajes y rodamientos utilizados en cada prueba. Estos planes experimentales están en inglés, de manera que sea asequible a los investigadores que deseen hacer algún ensayo en este campo. La guía de práctica desarrollada es un aporte para estudiantes de pregrado y personal de la industria, para que fortalezcan sus conocimientos en el área de mantenimiento predictivo, con el uso del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro. 85

102 RECOMENDACIONES Se recomienda modificar el diseño de la caja de engranajes con el fin de que al momento de hacer las pruebas sus elementos sean de fácil intercambio y se puedan utilizar los mismos elementos en diferentes configuraciones. Realizar la construcción de distintos engranajes helicoidales, verificando la relación de trasmisión en las etapas, para que no exista contacto repetitivo entre dientes. TRABAJOS FUTUROS Se puede realizar un experimento referente al levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y acústicas, con el uso de fallos en engranajes helicoidales y en rodamientos combinando los mismos y en un sistema mecánico rotativo con más elementos. Se puede realizar un ensayo con fallos progresivos, como es la rotura de un diente en un engranaje helicoidal hasta la rotura total, para estudios de análisis de severidad de fallos en engranajes. 86

103 BIBLIOGRAFÍA: [1] J. L. GÓMEZ, G. A. RODRÍGUEZ, J. E. TORRES, and S. E. DÍAZ, Enseñanza Teórico Práctica de Vibraciones Mecánicas Aplicadas, Lat. Am. Caribb. J. Eng. Educ., vol. 2, no. 2, Feb [2] C. ALTMANN, Las técnicas de monitoreo de condición, como herramienta del Mantenimiento Proactivo. [3] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, "Implementation strategies and tools for condition based maintenance at nuclear power plants," Vienna: International Atomic Energy Agency, [4] R. SANTAMARÍA HOLEK, Tendencias del mantenimiento predictivo. [5] ILYA SIZOV, Methodology for development of condition-based maintenance program for surface drilling equipment, MASTER S THESIS, University of Stavanger. [6] L. WANG and R. X. GAO, "Condition monitoring and control for intelligent manufacturing," London: Springer, [7] R. S. BEEBE, "Predictive maintenance of pumps using condition monitoring," Elsevier Ltd, [8] M. DUERTO, A. DUERTO, K. FLORES, B. IBARRA, J. MÁRQUEZ, M. VARGAS, and M. VÁSQUEZ, Sistemas de información de mantenimiento, República Bolivariana De Venezuela Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José De Sucre, Ciudad Guayana, [9] C. E. FLORES R., Equipo de diagnóstico mantenimiento centrado en la condición. [10] G. DAZA HERNÁNDEZ, Apuntes del curso vibraciones mecánicas, [11] M. A. ELFORJANI, Condition monitoring of slow speed rotating machinery using acoustic emission technology, Thesis or dissertation, Cranfield University, [12] L. A. GRIJALVA GARCÍA, Manual de operación, diseño y propuesta de implementación del programa de monitoreo de condición en la planta San Miguel de Cementos Progreso S.A. Universidad de San Carlos de Guatemala, Guatemala, [13] B. L. OJEDA VERA, Medición y análisis de vibraciones en el sistema propulsivo naval, Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Naval, [14] J MICHAEL ROBICHAUD and P.ENG, Reference standards for vibration monitoring and analysis. [15] ISO : Condition monitoring and diagnostics of machines -- Requirements for qualification and assessment of personnel -- Part 6: Acoustic emission. 87

104 Available: mber= [16] ISO 22096: Condition monitoring and diagnostics of machines -- Acoustic emission, mber= [17] ISO/TR 13115: Non-destructive testing -- Methods for absolute calibration of acoustic emission transducers by the reciprocity technique [18] E. J. TLAZALO, Cálculo y diseño de engranes helicoidales, [19] E. OLSON and C. HURRELL, Extracting the root of a puzzling gear tooth failure, [20] B. ERRICHELLO and A. MULLER, How to analyze gear failures. [21] UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Engranajes, [22] R. ERRICHELLO, Best practices for analyzing gear failures, [23] R. INDUSTRIES, Failure analysis gears-shafts-bearings-seals. [24] M. A. NARVÁEZ MEJÍA and S. M. GÓMEZ PROAÑO, Elaboración de un manual de procedimientos para la medición de parámetros acústicos y vibraciones mecánicas, [25] P. N. SAAVEDRA, La medición y análisis de las vibraciones como técnica de inspección de equipos y componentes, aplicaciones, normativas y certificación. [26] E. I. ARGUELLES PACHECO and C. E. VILLEGAS LÓPEZ, Sensores de aceleración para la detección de la activad física del paciente, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Juárez, [27] M. J. GONZALO ARRIBAS, Tipos de acelerómetros, [28] D. PERNIA MÁRQUEZ, Introducción a la medición de vibración, Fac. Ing. Univ. Los Andes Venezuela, [29] Implementation strategies and tools for condition based maintenance at nuclear power plants. Vienna: International Atomic Energy Agency, [30] F. SEGUÉS, Conceptos básicos de ruido ambiental, 14-Mar [31] M. A. R. PÉREZ, L. A. M. HERNÁNDEZ, and J. R. P. LÓPEZ, "Manual de aplicaciones de herramientas y técnicas del mantenimiento Predictivo," [32] D. J. LEKOU, F. MOUZAKIS, A. A. ANASTASOPOULO, and D. KOUROSIS, Fused acoustic emission and vibration techniques for health monitoring of wind turbine gearboxes and bearings, EWEC2009, [33] PANAMETRICS, Ultrasonic transducers, OLYMPUS. 88

105 [34] Transductores acústicos y de vibraciones seguridad e higiene productos Coasin S.A. medir para conocer, [35] D. A. BIES, "Engineering noise control: theory and practice." 4th ed. London ; New York: Spon Press/Taylor & Francis, [36] G. WHITE, "Introducción al análisis de vibraciones". Azima Dli. [37] M. R. CARANGUI VINTIMILLA, Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas de una caja reductora combinando fallos de rodamientos y engranajes rectos para fines investigativos en la Universidad Politécnica Salesiana, Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca, Cuenca -Ecuador, [38] D. ROCHA HERNANDEZ, Sonómetro digital, Thesis, [39] S. V. NIVELO JARA and D. J. ROMERO RODRÍGUEZ, Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos, Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca, Cuenca -Ecuador, [40] P. J. SMITH, Cooling and Lubrication of High-speed Helical Gears, [41] K. GOPINATH and M. M. MAYURAM, Gear failure. [42] J. MAHFOUDH, C. BARD, and D. PLAY, Experimental and numerical study of vibration monitoring applied on gear transmission systems, Apr [43] NSK, Diagnóstico rápido de fallas en rodamientos. [44] P.R. ALBARRACÍN AGUILLON, "Sistemas y métodos de lubricación," 4th ed., vol. vol. 1. [45] ISO : Mechanical vibration -- Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts -- Part 8: Reciprocating compressor systems. [46] N. F. G. HERNÁNDEZ and P. H. JIMÉNEZ ROSENDE, Técnica de la demodulación en el diagnóstico de fallas en máquinas rotatorias, Austral de Chile. [47] ISO : Mechanical vibration -- Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts -- Part 2: Reciprocating compressor systems, [48] R. A. GUIRACOCHA CUIRACOCHA, Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones acústicas e imágenes termográficas infrarrojas para un sistema mecánico rotativo con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en engranajes, Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca, Cuenca-Ecuador, Enero [49] K. GOPINATH and M.M. MAYURAM, Gear failure. 89

106 [50] J. MAHFOUDH, C. BARD, and D. PLAY, Experimental and Numerical Study of Vibration Monitoring Applied on Gear Transmission Systems, Apr [51] ADASH, User Manual - Adash 4400-VA4Pro. [52] Vibratec S.A. mantenimiento predictivo, análisis de vibraciones, monitores de vibración y balanceo dinámico. [53] L. C. CHEUQUELAF BARRIGA, Protocolo para el balanceo dinámico de un ventilador con analizador de vibraciones detector iii, Universidad Austral de Chile. [54] Tipos de desequilibrio, Curso de análisis de vibraciones. 90

107 91

108 ANEXOS: BALANCEO ESTÁTICO DE UN ROTOR ENTRE APOYOS EN UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO Cristian Muñoz, Genaro Vera, estudiantes de la Carrera de Ingeniería Mecánica, correo electrónico: y Universidad Politécnica Salesiana, carrera de Ingeniería Mecánica Asignatura: Mantenimiento, Cuenca Ecuador, Fecha de entrega: 5. Presentación de la práctica En esta práctica, mediante el análisis de medidas de amplitud y peso, se detectará el desbalance en un rotor montado entre apoyos en un sistema rotativo mecánico utilizando el analizador de vibraciones ADASH VA4Pro. 6. Requisitos y precauciones Requisitos: Para el desarrollo de la presente práctica, se requiere adquirir los conocimientos previos en vibraciones y desbalanceo que pueden ser obtenidos de la lectura de las siguientes fuentes: User Manual-Adash 4400 VA4Pro pág. (6-8) y (61-75) [1]. Protocolo para el balanceo dinámico de un ventilador con el analizador de vibraciones detector III pág [2]. Precauciones: El estudiante debe tener en consideración algunas precauciones antes de desarrollar la respectiva práctica. Antes de encender el banco de vibraciones verificar que los cables de los acelerómetros no estén en contacto con los elementos rotativos del banco de vibraciones. Verificar que la batería del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro se encuentre con una carga mayor al 50% por recomendación del fabricante. 92

109 Usar mandil y gafas. 7. Objetivos Obtener la señal de vibración producida por el desbalance mediante Adash 4400 VA4Pro Detectar el grado de desbalance en el rotor Manejar el equipo Adash 4400 VA4Pro para balanceo estático del rotor. Corregir el desbalance estático de un rotor 8. Equipos, instrumentos y software Tabla 1. Equipos, instrumentos y software Descripción Marca Serie Banco de vibraciones Unidad de control eléctrico PC portátil HP Pavilion G4 Analizador de vibraciones ADASH VA4Pro Acelerómetro ADASH A 102-A1 Software velocidad control de Balanza digital ERBESSD 93

110 9. Exposición 1.8 Introducción al desbalance Un elemento esta desbalanceado cuando su centro de gravedad no coincide con su centro geométrico, esta condición es causada por una distribución desigual del peso del rotor alrededor de su centro geométrico. También es uno de los mayores problemas de vibración de la industria con aproximadamente 40% de los casos de vibraciones excesiva [2][3]. Existen diferentes tipos de desbalances que podrían cambiar los parámetros en el proyecto de balanceo como se muestra en la tabla 2. Tabla 2. Tipos de desbalanceo. Fuente: [2]. Tipo de desbalance Descripción Grafico Desbalance estático Se produce cuando el eje longitudinal de inercia del rotor está desplazado paralelamente con respecto al eje de rotación. Desbalance par Se produce cuando el longitudinal de inercia del rotor intercepta al eje de rotación en el centro de masas del propio rotor. Desbalance casi estático Se produce cuando el longitudinal de inercia del rotor intercepta al eje de rotación en un punto arbitrario o sea, un punto que no coincide con el centro de masa del propio rotor. 94

111 Desbalance dinámico Se produce cuando el eje longitudinal de inercia del rotor no intercepta al eje de rotación y tampoco es paralelo a éste, se puede decir también que el eje longitudinal principal de inercia del rotor cruza al eje de rotación del propio rotor Para el balance no es necesario determinar el tipo de desbalance que presenta el rotor, sin embargo la tabla 3 muestra como una guía como determinarlo puesto que en ocasiones se tiene desbalance en dos planos como son el desbalance par, el dinámico y el casi estático. Tabla 3. Determinación de desbalanceo. Fuente: [2]. Puesto que el desbalance de un rotor produce vibración, el valor de la medida de amplitud del desplazamiento pico a pico cambiara dependiendo de cuán grande sea el desbalance, y considerando que un rotor jamás va a estar completamente balanceado al 100%, se necesita un rango de aceptación como se muestra en la tabla 4. Por ejemplo si tenemos una velocidad de rotación de 1000 RPM, de acuerdo con la tabla 4, en el límite aceptable de amplitud es una velocidad RMS de 2, la intersección de estas 2 líneas se extiende con una horizontal hacia el valor de desplazamiento pico-pico en aproximadamente 4 micras que es la amplitud aceptable o mm/s. Esta tabla según varios autores es una derivación de la tabla de Rathbone. 95

112 Tabla 4. Tabla de severidad del Desbalance. Fuente: [2]. 96

113 10. Procedimiento A continuación se describe el procedimiento para realizar la práctica Proceso INICIO Configuracion del banco de pruebas Montaje del rotor Configuración del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro Montaje del acelerómetro Medicion de vibración Balanceo Figura 1. Proceso para el balance del rotor con ADASH VA4Pro Procedimiento A continuación se describe el procedimiento para el desarrollo de la práctica. 97

114 Banco de pruebas En la figura 2 (b), se muestra el banco de pruebas y en la figura 2 (a), se muestra la unidad del control eléctrico del banco de pruebas para la realización de la práctica. Interruptor de encendido de carga radial Interruptor de encendido o apagado de la unidad de control Botón de emergencia Chumaceras Motor Variador de frecuencia DANFOSS Disco de balance Acople (a) (b) Figura 2. (a)unidad de control eléctrico y (b) banco de pruebas Configuración del software 1. Encender la unidad de control eléctrico. 2. Encender el computador portátil. 3. Conectar el puerto USB (cable USB color negro). 4. En la unidad de control eléctrico revisar que este activada la luz de OFF del variador de frecuencia DANFOSS. 5. Abrir el software desde el computador portátil, para ello vaya a INICIO y seleccione el software Labview 32 bits, luego seleccionar principal_panel_gdh. 6. En el software pulsar la opción STOP. 7. En las casillas, Load, Frecuency, Repetition, fault, colocar L1, F1, R1, P1, respectivamente. 98

115 8. Luego de realizar las respectivas configuraciones, en el software pulsar la opción RUN Configuración del analizador de vibraciones 1. Conectar el cable del acelerómetro al canal de entrada 1 del analizador ADASH VA4Pro, como se muestra en la figura 3. Figura 3. Conexión del acelerómetro al ADASH VA4Pro. 2. Conectar el cable del tacómetro al canal trig del analizador ADASH VA4Pro, como se muestra en la figura 4. Figura 4. Conexión del tacómetro al canal Trig del ADASH VA4Pro. 99

116 3. Encender el analizador ADASH VA4Pro con el botón de encendido situado en la parte superior del equipo. 4. Seleccionar equilibrado con las flechas direccionales y pulsar ok. 5. Pulsar proyecto, pulsar nuevo, pulsar ok. 6. Introducir nombre del proyecto, pulsar ok y entrar en el mismo. 7. Colocar la configuración mostrada en la tabla 5, con ayuda de las flechas direccionales para desplazarse y del botón ok para aceptar, luego pulsar guardar. Tabla 5. Configuración básico para balanceo. Parámetro Configuración Planos Imagen Rotación Vista Canal Masas de equilibrado Palas Modo Promedios Resolución Único Rotor entre apoyos Sentido horario Izquierda 1 Añadir (montar) Ninguno Único Off Velocidad / 4 8. Pulsar config. de equilibrado, seleccionar config. rotor y pulsar ok. 9. Seleccionar masa rotor[kg], pulsar ok, seleccionar introducir valor, introducir número 3 y pulsar ok, seleccionar radio de corrección[mm] y pulsar ok, seleccionar introducir valor, pulsar ok, introducir valor de 55 y pulsar ok, 100

117 seleccionar grado de calidad del equilibrado pulsar ok, seleccionar 0.4 pulsar ok y pulsar guardar. 10. Colocar el tacómetro a nivel y con el láser del mismo tocando el punto de referencia como se muestra en la figura 6. Punto de referencia Palanca niveladora Perilla para variar la altura Figura 6. Orientación del tacómetro Montaje del acelerómetro Para el montaje del acelerómetro se debe roscar el mismo en la parte superior de la chumacera hasta llegar a un apriete suave como se muestra en la figura 7. El ADASH VA4Pro recomienda colocar el acelerómetro en la chumacera izquierda (Visto en el ADASH VA4Pro como vista izquierda ). 101

118 Figura 7. Montaje del acelerómetro Balance del rotor Para el balance del rotor se ilustra el siguiente procedimiento. Procedimiento: 1. En el variador de frecuencia ubicado en la unidad de control, presionar el botón hand on ( ) para encender el motor de 2 hp. 2. En la pantalla del medidor de vibraciones ADASH VA4Pro pulsar medir 4 veces y en cada medición anotar los valores de amplitud, fase y velocidad en la tabla 6, esta medición es la run

119 Tabla 6. Configuración de parámetros iniciales del proyecto sin peso. Parámetro Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Referencia Amplitud Fase Velocidad 3. Una vez tomados los 4 valores tomar el valor que más se repite de amplitud en como referencia con sus valores de fase y velocidad, luego pulsar la flecha ( a run 2. ) para pasar 4. Apagar el motor presionando en el botón off ( ) del variador de frecuencia. 5. Antes de colocar el peso de prueba en el rotor, pulsar entrar prueba y colocar la cantidad de 20 gr y pulsar ok. 6. El peso de prueba colocar a 20 mm del borde externo del rotor y presionar hand on ( ). 7. Pulsar medir esperar 10 segundos y pulsar la flecha ( ). 8. Pulsar off ( ) y de acuerdo con la gráfica obtenida como por ejemplo se muestra en la figura 8, colocar la cantidad de peso en la posición mostrada por el analizador ADASH VA4Pro con respecto al peso de prueba. Se tiene 2 opciones a realizar: Colocar la masa indicada en el equipo quitando la masa de prueba. Colocar la masa sin quitar la masa de prueba (recomendado). 103

120 Figura 8. Balance del rotor. 9. Pulsar hand on ( ), pulsar pulsar la flecha ( ). posteriormente pulsar medir. 10. Repetir los pasos 7,8,9, hasta obtener un valor de amplitud aceptable o límite de acuerdo con la tabla Luego de conseguir el valor de amplitud aceptable, apagar el banco de pruebas desde el interruptor de apagado que se muestra en la figura Llenar la tabla 7 de acuerdo a los datos configurados mostrados en la tabla 5 y los obtenidos. Tabla 7. Resultados de la práctica. Proyecto de balance Datos técnicos Tipo de rotor: Numero de paletas: 104

121 Peso del rotor: Datos experimentales Iniciales Velocidad de giro (Refer.): Amplitud inicial (Refer.): Fase Inicial (Refer.): Radio de corrección: Resultados del experimento Peso de prueba: Amplitud final: Fase final: Peso admisible: Número total de pruebas: Observaciones: 13. Pulsar cerrar proyecto, pulsar pantalla principal, luego pulsar apagar, y presionar si. 14. Desmontar el equipo. 105

122 11. Resultados Resultados 12. Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Recomendaciones Bibliografía [1] ADASH, User Manual - Adash 4400-VA4Pro.. [2] L. C. CHEUQUELAF BARRIGA, Protocolo para el balanceo dinámico de un ventilador con analizador de vibraciones detector iii, Universidad Austral de chile. [3] Vibratec S.A. Mantenimiento Predictivo, Análisis de vibraciones, Monitores de vibración y Balanceo dinámico 106

123 VALIDACIÓN DE LAS GUÍAS DE PRÁCTICAS EJECUTADAS POR LOS ESTUDIANTES Y PERSONAL DE LA INDUSTRIA Guía de prácticas: BALANCEO ESTÁTICO DE UN ROTOR ENTRE APOYOS EN UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO Nombre Fecha Universidad Ciclo Carrera Calificación ANDRÉS CEDILLO Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 20/21 JUAN PABLO MARÍN Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 20/21 JORGE LUIS MATUTE Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 18/21 KLEVER ORDOÑEZ Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 20/21 FRANKLIN ZHAGUI Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 20/21 PATRICIA ARMIJOS Personal de la Industria /21 CHRISTIAN CAMPOVERDE Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 19/21 JUAN ESPINOZA Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 18/21 EDWIN CORTE Universidad Politécnica Sal. Egresado Ingeniería Mecánica 19/21 RÓMULO GUIRACOCHA Universidad Politécnica Salesiana Egresado Ingeniería Mecánica 20/21 107

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