SIMULADOR DE VIBRACIONES PARA LA REALIZACIÓN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO

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1 SIMULADOR DE VIBRACIONES PARA LA REALIZACIÓN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO Jesús A. Royo Sánchez, Ana Brun de Buen, Maria Pilar Lambán Castillo, Daniel Pérez Soriano, José Javier Gutiérrez Aguilar. Profesores del Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de la Universidad de Zaragoza ; ; Resumen El simulador de vibraciones desarrollado para la realización de Mantenimiento Predictivo, es una máquina portátil de pequeñas dimensiones que accionada mediante un motor eléctrico, y realizando el intercambio de algunos órganos de la misma, como pueden ser rodamientos, engranajes o desequilibrio de masas, produzca al girar una serie de alteraciones en su funcionamiento. De esta manera, los alumnos con una serie de medidas progresivas, a través de Técnicas de Verificación Mecánica, podrán estudiar y analizar la influencia de los distintos fallos forzados que se le realicen a la máquina cuando ésta esté en condiciones de buen funcionamiento y por lo tanto llevar a cabo mantenimiento predictivo completo y detallado. Los defectos que se quieren simular son. Eléctrico, en correas, en engranajes, en rodamientos y desequilibrio de ejes. 1. ESTUDIO, DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL SIMULADOR INTRODUCCIÓN Con el fin de contribuir al desarrollo del perfil profesional del alumno con la adquisición de competencias tales como, conocimientos, capacidades, habilidades y destrezas en el área de Mantenimiento Industrial y en particular, en Mantenimiento Predictivo, el Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza, se planteó el estudio, diseño y fabricación de un simulador para la realización de prácticas de Mantenimiento Predictivo de la asignatura Mantenimiento Industrial Integral. La asignatura Mantenimiento Industrial Integral, cuenta con 6 créditos. Según los criterios de asignación de horas del Área de Ingeniería de Procesos de Fabricación de la E.U.I.T.I.Z. se decide realizar asignaturas eminentemente prácticas, por lo que se imparten 30 horas teóricas y 30 de prácticas de laboratorio. Se desarrolla en el segundo parcial de tercero según el plan de estudios de 1999 de Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica subespecialidad de Fabricación y Gestión de la Producción.

2 Para cubrir los objetivos mencionados en el apartado anterior se ha organizado la asignatura en 9 temas o unidades lectivas y 10 prácticas de taller-laboratorio. En la siguiente Tabla se muestra la sincronización de los temas teóricos con el resto de actividades para un correcto aprovechamiento del temario. SEMANAS TEORÍA PRÁCTICAS Programa de la asignatura: 1. El mantenimiento 2. Mantenimiento Correctivo 3. Mantenimiento Preventivo 4. Fiabilidad y estadística 5. Indicadores de mantenimiento 6. Técnicas de mantenimiento predictivo 7. Softwares de gestión de mantenimiento 8. Introducción al TPM 9. Integración producción mantenimiento Programa de prácticas: 1. Introducción de datos en software de gestión de mantenimiento 2. Mantenimiento correctivo en software de gestión de mantenimiento 3. Datos de preventivo en software de gestión de mantenimiento 4. Plan de preventivo en software de gestión de mantenimiento 5. Obtención de resultados en software de gestión de mantenimiento 6. Toma de datos con sonómetro en simulador 7. Análisis de viscosidad 8. Toma de temperaturas en simulador 9. Análisis de vibraciones en simulador 10. Interpretación de resultados del mantenimiento predictivo 1.2. Simulador. Desde los inicios, el Departamento se planteó unas características determinadas para el simulador tales como: Que fuera una máquina portátil de pequeñas dimensiones Que permitiera simular defectos eléctricos, en correas, en engranajes, en rodamientos y desequilibrios eléctricos. Que a través de Técnicas de Verificación Mecánica, fuera posible identificar los defectos y sus causas.

3 Varios fueron los diseños planteados antes del diseño definitivo, diseños que fueron rechazados debido a la imposibilidad de simular todos los defectos propuestos y de observar los resultados que producían. En el diseño final, el simulador, es una máquina portátil de pequeñas dimensiones que es accionada mediante un motor eléctrico. Figura 1.- Vista en planta del simulador Componentes Los componentes del diseño definitivo del simulador son: Motor, Bastidor, poleas, tambor desequilibrador, engranajes, rodamientos, correa, eje conductor, diversas arandelas, tornillos y tuercas Funcionamiento El funcionamiento básico de la máquina consistirá en la conexión a la red eléctrica a 220 voltios, y una vez conectada con la incorporación de un interruptor dar marcha o paro a la máquina, según corresponda en cada momento. En el momento en el que el interruptor esté en la posición de marcha, el motor comenzará a girar a una velocidad de 1350 revoluciones por minuto. El motor tendrá incorporado una polea de diámetro 60, la cual a través una correa trapecial transmitirá el giro a otra polea de las mismas características colocada en el eje motriz de la máquina. De esta manera la relación de transmisión entre motor y eje motriz será de uno, de tal manera que el número de revoluciones con la que gira el eje motriz será también de 1350 revoluciones por minuto. Este eje motriz de la máquina tendrá incorporado un engranaje con un número de dientes Z1= 30 que engranara con otro del eje conducido con un número de dientes Z2 = 27 así el número de revoluciones de este quedara: Z1 x N1 = Z2 x N2; 30 x 1350 = 27 x N2 ;N2 = 30 x 1350 /27 = 1500 r.p.m Éste será el funcionamiento básico de la máquina, pero ahora dependiendo de lo que en cada momento se desee medir se realizarán una serie de cambios manualmente con la máquina parada, de forma que sean modificados los resultados en las mediciones respecto de la situación inicial ( máquina en buen estado).

4 2. ANÁLISIS DE VIBRACIONES. 2.1.Introducción. La importancia de analizar las características de la vibración se debe a la información que aportan sobre el estado de una máquina, su condición, su funcionamiento y la gravedad de la vibración que se mide. De este modo son un indicador previo de la existencia de un posible fallo, del tipo de problema existente y de la rapidez con que es preciso solucionarlo. 2.2.Parámetros de la vibración. Un punto importante a la hora de hablar de vibraciones es conocer la severidad de la vibración. Indica la gravedad que puede tener un defecto. La amplitud de la vibración expresa la gravedad del problema, pero es difícil establecer valores límites de la vibración que detecten un fallo. La finalidad del análisis de vibraciones es encontrar un aviso con suficiente tiempo para poder analizar causas y forma de resolver el problema ocasionando el paro mínimo posible en la máquina. Una vez obtenido un histórico de datos para cada elemento de las máquinas que se estudian, el valor medio refleja la normalidad en su funcionamiento. Desviaciones continuas o excesivas indicarán un posible fallo que será identificado después, teniendo en cuenta la frecuencia a la que se producen las mayores vibraciones. Los parámetros de la vibración habitualmente utilizados para las mediciones de las vibraciones de las máquinas son la frecuencia, la amplitud, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración y la energía de impulsos( spike energy). Frecuencia de la vibración. Es el dato esencial para localizar el tipo de defecto que existe en una máquina y el elemento donde se ha producido el error. La unidad característica es CPM (ciclos por minuto). Los diferentes problemas son detectados por las frecuencias iguales a la velocidad de giro o bien múltiplos suyos. Cada tipo de problema muestra una frecuencia de vibración distinta. Se identifican las causas que producen vibración comparando la frecuencia de ésta con la velocidad de giro del elemento problemático, esta frecuencia puede no ser única, pero todas las frecuencias a las que se de la vibración serán iguales a la velocidad de giro o bien múltiplos suyos. Amplitud de la vibración. Indica la importancia, gravedad del problema, esta característica da una idea de la condición de la máquina. Se podrá medir la amplitud de desplazamiento, velocidad o aceleración. Desplazamiento de la vibración. Se define como la distancia total recorrida por el elemento que vibra entre los dos extremos límites del recorrido. Es

5 conveniente medir este parámetro cuando se sospecha que los posibles fallos se reflejen en la zona de bajas frecuencias. Velocidad de la vibración(mm/s). La velocidad es otra característica importante en la vibración. La velocidad tiene una relación directa con la severidad de vibración, por este motivo es el parámetro que siempre se mide. Las vibraciones que tienen lugar entre 600 y cpm se analizan teniendo en cuenta el valor de la velocidad. Aceleración de la vibración ( cm/s). La medida de la amplitud de la aceleración se utiliza cuando existen fuerzas importantes que se producen a altas frecuencias, aunque cuando esto suceda el valor del desplazamiento y la velocidad no sean significativa. Esta característica es el indicador de la severidad de la vibración en máquinas cuyo funcionamiento se realice en frecuencias superiores a ciclos por minuto. El spike energy o energía de impulsos proporciona información importante a la hora de analizar vibraciones. Este parámetro mide los impulsos de energía de vibración de breve duración y, por lo tanto, de alta frecuencia. Pueden ser impulsos debidos a: Defectos en la superficie de elementos de rodamientos o engranajes. Rozamiento, impacto, contacto entre metal-metal en máquinas rotativas. Fugas de vapor o de aire a alta presión. Cavitación debida a turbulencia en fluidos. Sin este parámetro es muy difícil detectar engranajes o rodamientos defectuosos. Con esta medida se encuentran rápidamente las vibraciones a altas frecuencias provocadas por estos defectos. 2.3.Medida de vibraciones: Proceso. El ruido en la estructura, es decir, las vibraciones en la estructura son registradas por un sensor, generalmente un sensor de la vibración colocado en la superficie de la máquina. Este sensor traduce las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica que se amplifica, se filtra y se remite a la unidad de evaluación. La medida de vibraciones comprende 4 fases: 1ª.-Adquisición de datos. Para ello, se utilizará un Vibrómetro. Figura 2.- Vibrómetro, con el acelerómetro

6 2ª.-Volcado y análisis de los datos. Se producirá un volcado de los datos a un ordenador, en el que existirá un software adecuado para el análisis de los espectros de la vibración, en nuestro caso Trendline. 3ª.- Evaluación del espectro. Se realizará un exhaustivo análisis del espectro obtenido. Figura 3.- Espectro 4ª.- Identificación del defecto en el espectro. 3. IDENTIFICACIÓN DE CAUSAS DE VIBRACIONES. INTERPRETACIÓN DE DATOS. Una vez obtenidos de una forma metódica y precisa los datos de vibraciones de una máquina donde se ha detectado un problema, es necesario identificar cual ha sido su causa y así buscar la forma y momento de reparación más eficiente, es decir, que elimine el fallo y su coste económico sea el mínimo posible. Un defecto puede localizarse al comparar las amplitudes de las vibraciones tomadas. Normalmente una máquina que funciona correctamente tiene valores que suelen seguir una línea con tendencia ligeramente ascendente o constante. Cuando en algún momento los valores aumentan o la tendencia asciende de una forma inesperada, se puede pensar en la presencia de algún problema. Generalmente los valores de amplitud que se comparan son los de velocidad, una vez observado que esta ha aumentado de una forma inesperada, es importante comparar los valores de la energía de impulsos (g), estos valores indicarán la gravedad del problema. Así un fallo puede detectarse al encontrar una tendencia de velocidad ascendente de forma imprevista y unos valores del parámetro g altos. También es posible que existiendo un problema haya valores de spike energy altos y de repente disminuyan y poco a poco aumenten, esto puede dar lugar a un fallo total, donde la máquina deje de funcionar. Valores altos de spike energy pueden ser indicadores en la mayor parte de los casos de problemas de rodamientos, acoplamientos y en los casos más extraños de problemas hidráulicos. Es esencial una vez corregido el problema seguir la evolución de la reparación, de esta forma se conocerá si realmente existía el defecto, si estaba situado en

7 el punto con máxima vibración y lo que es más importante, seguir la evolución tras la reparación y asegurarse que el problema ha desaparecido. Los problemas mecánicos más comunes en las máquinas que producen vibraciones son desequilibrio entre ejes, falta de alineación de acoplamientos, defectos en rodamientos y engranajes y problemas eléctricos. A continuación se pueden ver la forma de identificar algunos de estos problemas analizando los datos y espectros de vibraciones Desequilibrio de ejes. Esta es una de las causas más probable de que exista vibración en las máquinas, en casi todos los elementos es fácil encontrar un pico en el gráfico de amplitud frente a frecuencia, que denote un pequeño desequilibrio, a la frecuencia que coincide con la velocidad de giro. Para conocer la cantidad de desequilibrio hay que encontrar la amplitud de la vibración a esa frecuencia. La amplitud es proporcional a la cantidad de desequilibrio. Al colocar tornillos en el tambor acoplado el eje del simulador, se obtuvo el siguiente espectro: Figura 4.- Espectro simulador Al observar la figura, se tiene un desequilibrio con pico en f= 25 Hz, frecuencia que corresponde a la velocidad de giro del simulador 1500 r.p.m. Como se ha dicho antes, para analizar datos de vibraciones son tan importantes la experiencia y el conocimiento de la máquina como los datos tomados en ella. Cuando aparece un pico en frecuencia igual a 1 x rpm. El desequilibrio no es la única causa posible, la desalineación también puede producir picos a esta frecuencia. Al aparecer vibraciones en esta frecuencia como otras causas posibles están los engranajes o poleas excéntricas, falta de alineamiento o eje torcido si hay alta vibración axial, bandas en mal estado (si coincide con sus rpm), resonancia o problemas eléctricos, en estos casos

8 además del pico a frecuencia de 1 x rpm habrá vibraciones en otras frecuencias Defecto en Engranajes Este defecto se puede observar al encontrar picos a frecuencias que coinciden con múltiplos enteros de la velocidad de giro del engranaje que falla, además existirá vibración de amplitud menor de forma simétrica a la frecuencia del engranaje. Observando el espectro obtenido con el simulador al tener un engranaje un diente dañado, estudiando la señal en el modo Demodulation se observa un defecto con una amplitud considerable, que es producido por el golpeteo que producen los engranajes cada vez que pasa el diente dañado, a la frecuencia de 29,902 Hz, que corresponde aproximadamente a la velocidad de giro del engranaje que es igual a 1500 r.p.m. Por otro lado se observa picos de valor importante a frecuencias que son múltiplos de la velocidad de giro del engranaje y de forma simétrica a estos picos existen otros de valor muy pequeño, por lo que se puede identificar un defecto de engranaje en el espectro simulado. Figura 5.- Espectro simulador Los problemas de engrane que dan esta vibración son: desgaste excesivo de los dientes, inexactitud de los dientes, fallos de lubricación, elementos extraños entre dientes. Las vibraciones causadas por defectos de engranajes pueden ser detectadas en varios puntos de las máquinas. Esta es una característica que diferencia una gráfica causada por un engranaje con poca carga y la vibración producida por un rodamiento, ya que el diagrama de amplitud frente a frecuencia puede dar lugar a confusión cuando la carga del piñón es baja. Tanto el fallo de engranaje como el de un rodamiento, llevan consigo también la aparición de ruido Defecto eléctrico La vibración es creada por fuerzas desiguales que pueden ser causadas por la forma interna de elemento. Es complicado reconocer gráficamente este

9 problema, ya que no tiene características que indiquen de forma sencilla que esta es la causa de vibración. El espectro puede llevar a errores por ser similar a la del desequilibrio, solo que aquí al desconectar la corriente el problema desaparecerá. Se detectarán picos mayores a distancias iguales a cuatro veces la velocidad de giro si los polos son cuatro, distinguiendo la vibración separada una frecuencia coincidente con la velocidad de giro. Al realizar una medición con el motor eléctrico solamente. Si se observa el espectro, se tiene que a la velocidad del motor 1350 r.p.m.= 25 Hz, se tiene un pequeño desequilibrio. Por otro lado a la frecuencia de 100 Hz = 6000 r.p.m. se tiene un defecto. Al no girar nada a esa frecuencia, existe un fallo eléctrico. Para cerciorarse de dicho fallo, al desconectar la corriente, se observó de nuevo el espectro y el fallo había desaparecido, concluyendo la existencia de un fallo eléctrico. Figura 6.- Espectro simulador 3.4. Defecto en Rodamientos Fallos en elementos del rodamiento dan vibración a unas frecuencias altas no relacionadas con la velocidad de rotación y de amplitud también aleatoria Es relativamente fácil reconocer este fallo a ver la gráfica de amplitudfrecuencia, ya que se caracteriza por tener muchos picos juntos a altas frecuencias y de amplitud variable que dependerá de la gravedad del problema. La frecuencia a la que se produce la máxima amplitud puede dar una idea del elemento defectuoso del rodamiento. Los defectos en elementos rodantes, pistas de rodamiento o jaula de retención generan fuerzas que se transmiten al alojamiento y estructura que les rodea.

10 Figura 7.- Espectro simulador 4. MEDICIONES DE RUIDO Y TEMPERATURA Medición de ruido. Con ayuda de un sonómetro se tomaron medidas de ruido en la simulación de distintos defectos, observando que cuando existia un defecto, el ruido aumenta en todas las situaciones. Figura 8.- Sonómetro Sirva de ejemplo que con el engranaje sin dañar, el ruido es de 75 db y cuando está dañado es de 105 db 4.2. Medición de temperatura. Se llevaron a cabo una serie de medidas en distintos partes móviles de la máquina, tales como, motor, rodamiento bueno, rodamiento dañado y polea. Las mediciones realizadas han sido efectuadas con un termómetro sin contacto flir tpt2 pro. Figura 9.- Termómetro sin contacto

11 La tabla de los resultados obtenidos fue: MINUTO MOTOR R. BUENO R. DAÑADO POLEA 0 17,6 17,6 17,6 17,6 2 18, , , ,6 20,6 21, ,8 20,9 24, , ,2 25, ,1 21,3 26, ,5 21, ,2 24,8 27, , , ,2 21,3 25, ,3 25,4 29, ,4 25,5 30, ,4 21,5 25,5 30, ,6 25,7 30, ,8 21,7 26,1 31,1 Tabla 1. Valores de temperatura recogidos en ºC 5. CONCLUSIONES El objeto de la presente ponencia, ha sido mostrar como el presente Simulador, desarrollado por el Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza, permite al alumno en las sesiones prácticas de la asignatura Mantenimiento Industrial Integral, reproducir diversos errores que pueden darse en máquinas reales, tales como defectos eléctricos, defectos en correas, en engranajes, en rodamientos y desequilibrio de ejes, reforzando en gran medida la formación teórica adquirida. Además, la evaluación y análisis posterior de los espectros obtenidos al simular estos errores con el Software para Mantenimiento Predictivo Trendline, capacitará a los alumnos para identificar los distintos defectos de las máquinas que pudieran encontrarse en el desarrollo de su actividad profesional. Por otro lado, al igual que las medidas realizadas sobre el tema de vibraciones, las medidas de temperatura y ruido clarifican todavía más las nociones teóricas adquiridas en las clases de teoría acerca de las consecuencias que estos defectos tienen en las máquinas. Para finalizar, se ha podido constatar como el Mantenimiento Predictivo es una forma de mantenimiento que ofrece grandes posibilidades dentro de la gama de los distintos tipos de mantenimiento que se aplican a nivel industrial.

12 Referencias [1] J.A.Royo, M. Bolea, F. Torres, J.J. Aguilar Mantenimiento Industrial Integral Ed. Kronos [2] F.C. Gomez Tecnología del Mantenimiento Industrial. [3] A.E.M. (Asociación Española de Mantenimiento). El mantenimiento en España. Gráficas APR. [4] Boucly, F Gestión del mantenimiento. AENOR (1999). [5].Monchy, F. Masson, S.A (1990) Teoría y práctica del mantenimiento industrial [6] J.A,Royo Sánchez,.G. Rabanaque; F. Torres Leza Análisis de vibraciones e interpretación de datos.ref, Revista Mantenimiento. No. 136, pp 39-48, [7] D. Méndez Crespo; J.A. Royo Sánchez. Estudio de la formación en mantenimiento a nivel universitario en España.Ref. Revista: Mantenimiento. No. 159, pp 40-46, [8] J.A. Royo.; G. Rabanaque; F.Torres Análisis de vibraciones e interpretación de datos.1er Congreso Nacional de Ingeniería de Mantenimiento. La Almunia de Doña Godina. Febrero Participación oral.

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