Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

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1 DOCUMENTO TÉCNICO Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus Dr. George Zusman, Director de desarrollo de productos de PCB Piezotronics y Glenn Gardner, Director de Unidad de Negocio de Fluke Corporation Alta 4000 Hz a Hz 01/09/2011 9:10 AM Rodamiento 3 CF+ Vibración de rodamientos (CF+) Baja 10 Hz a 1000 Hz BUEN ESTADO Vibración general 10,67 mm/s 0,42 pulgadas/s (cal pk) Vibración general Temperatura de funcionamiento -20 C a 200 C INACEPTABLE Temperatura 20,4 C ID:VENT.1:RODAMIENTO1 TIPO:Vent. axial RPM:> 600 Temperatura por IR Escala de gravedad BUENA SATISFACTORIA No se recomienda realizar ninguna reparación inmediata. No se requiere ninguna reparación inmediata. Aumente la o las medidas y supervise el estado de la máquina. INSATISFACTORIA INACEPTABLE Haga que un técnico en vibraciones con experiencia realice pruebas más avanzadas lo antes posible. Considere una acción de mantenimiento en la próxima parada de actividad planificada o período de mantenimiento. Haga que un técnico en vibración con experiencia realice pruebas más avanzadas lo antes posible. Considere apagar la máquina de inmediato para realizar reparaciones y evitar fallos. Introducción La vibración mecánica es un tema muy complejo. Un rápido vistazo a cualquier libro de texto sobre la materia muestra que el usuario avanzado debe tener grandes conocimientos sobre matemáticas y física para recopilar e interpretar los datos sobre vibraciones de manera precisa. Esto ha supuesto un grave problema para las plantas industriales; aunque las ventajas de un programa de análisis de vibraciones son evidentes, son demasiadas las plantas que han preferido obviar los análisis de vibraciones debido a su complejidad. Fluke intenta resolver este problema mediante el desarrollo de productos para el análisis de vibraciones fáciles de usar, capaces de generar grandes beneficios y que no requieran un alto nivel de formación por parte de los usuarios finales. El primer producto de análisis de vibraciones de Fluke, lanzado en 2010, fue el analizador de vibraciones 810 (consulte la imagen en la página siguiente). El 810 es un analizador de espectro de vibraciones que incorpora un diagnóstico automatizado para identificar las cuatro causas principales de vibración anormal de la maquinaria: alineación incorrecta, desequilibrio, holguras y averías en los rodamientos. El 810 es mucho más fácil de usar que los analizadores de espectro de vibraciones actuales porque la interpretación de los datos del espectro de s es automática. El usuario se limita a observar una escala de gravedad de cada una de las cuatro averías citadas anteriormente. El segundo producto de vibraciones de Fluke, el medidor de vibraciones 805 FC, fue presentado en El 805 FC es un medidor general de vibraciones si se compara con un analizador de espectro como el Fluke 810. El 805 FC proporciona al usuario un número general de vibraciones para los rangos de baja ( Hz) y alta ( Hz). Además del valor general de vibraciones, el 805 FC proporciona una escala de gravedad para ambos rangos de. La escala de gravedad de baja se puede ajustar para reflejar el tipo concreto de máquina que se está comprobando (bomba, compresor, etc.), y es un excelente instrumento para controlar problemas como alineaciones incorrectas, desequilibrios, holguras, rotores doblados, etc. La escala de gravedad de alta, conocida como escala factor de cresta plus, utiliza un novedoso y exclusivo método de procesamiento de señales en el dominio del tiempo para identificar defectos en los rodamientos. El 805 FC también proporciona al usuario una lectura de temperatura sin contacto de todos los puntos de vibraciones comprobados. El medidor general de vibraciones 805 FC es un instrumento de control. Una vez identificada una vibración anormal, es recomendable que el 805 FC realice una comprobación más profunda con el fin de confirmar la existencia del problema e identificar el origen de las vibraciones.

2 En este documento técnico se tratan los temas siguientes: Diferencia entre análisis del espectro de y análisis de vibraciones. Análisis de vibraciones en general y escalas de gravedad Factor cresta plus: Análisis de vibraciones de alta en general y escalas de gravedad Baja Moderada Grave Extrema No se recomienda ninguna acción de reparación. Vuelva a comprobar el equipo y supervise la situación después del mantenimiento. (Meses, incluso hasta un año): no es necesaria ninguna acción de reparación inmediata. Aumente la o las medidas y supervise el estado de la máquina. (Semanas): realice una acción de mantenimiento durante el siguiente tiempo de inactividad o período de mantenimiento planificado. (Días): es necesaria una acción inmediata. Considere apagar el equipo y repararlo ahora para evitar un fallo. Análisis del espectro de vibraciones frente a análisis de vibraciones en general Todos los datos sobre vibraciones se recopilan en el dominio del tiempo. En un analizador de espectro o un medidor de vibraciones general, estos datos se suelen recopilar mediante un acelerómetro piezoeléctrico. El acelerómetro está en contacto rígido y directo con la máquina que presenta vibraciones. La vibración de la máquina se transfiere al acelerómetro, que utiliza el elemento piezoeléctrico y crea una señal con una tensión proporcional a las vibraciones. El analizador de espectro o el medidor de vibraciones capturan esta señal de tensión. En la página siguiente se puede ver una señal de muestra en el dominio del tiempo (Fig A). Una vez capturada la señal en el dominio del tiempo, se pueden aplicar dos métodos comunes de análisis: análisis de espectro o análisis de vibraciones. En el análisis del espectro la señal en el dominio del tiempo se transforma en una señal de mediante un algoritmo conocido como Transformada Rápida de Fourier (FFT). El objeto del presente documento no es ofrecer una descripción detallada del algoritmo FFT, pero puede resumirse afirmando que reconstruye la señal en el dominio del tiempo mediante una serie de ondas sinusoidales armónicas. La amplitud de cada una de estas ondas sinusoidales se compara con la de las ondas sinusoidales. El resultado es el gráfico de espectro de. En la página siguiente se puede ver un gráfico de espectro de (Fig B). Un analista de vibraciones cualificado puede utilizar el espectro de s para determinar si existen defectos en la maquinaria. El análisis puede ser complicado pero implica una ventaja importante: normalmente permite identificar el origen del problema. 2 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

3 Figura A Figura B El análisis de vibraciones general, en cambio, es mucho más simple. En el análisis de vibraciones general, los datos en el dominio del tiempo se utilizan para calcular un valor de vibración general simple. Este valor simple se puede utilizar como indicador del estado de la máquina en general. (Nota: Existen diferentes métodos válidos para calcular el valor general de vibración. Para los lectores que estén interesados, estos se describen en el apéndice). La ventaja del análisis de vibraciones general es su sencillez ya que solo se examina un valor. Sin embargo, este método tiene tres grandes limitaciones que cabe destacar: Máquinas diferentes tienen niveles diferentes de vibraciones generales. Algunos defectos de las máquinas (en concreto, defectos de los rodamientos) no afectarán al valor general de vibraciones hasta que se haya producido un daño importante. Un análisis general de las vibraciones no identifica el origen de la vibración A pesar de estas limitaciones, los medidores generales de vibraciones son muy valiosas para su control. Los técnicos pueden utilizarlas para establecer tendencias de valores con el tiempo y, si se identifican tendencias negativas, se deben realizar análisis más exhaustivos (como los análisis del espectro) para confirmar la existencia del problema e identificar su origen. Vale la pena mencionar que Fluke diseñó el medidor de vibraciones 805 FC para ayudar a resolver estas limitaciones, como se explica en la página siguiente. Análisis de vibraciones general y escalas de gravedad Como ya se ha mencionado en la sección anterior, el análisis general de vibraciones presenta tres limitaciones clave. En esta sección se tratarán estas limitaciones con mayor profundidad y se mostrará cómo un medidor de vibraciones general puede ser un instrumento efectivo para controlar las vibraciones, pese a sus limitaciones. También se mostrará cómo el medidor de vibraciones Fluke 805 FC ayuda a superar las tres mencionadas limitaciones de una medidor convencional de vibraciones tipo lápiz. El valor de un medidor de vibraciones general El análisis de vibraciones ofrece muchas otras ventajas, entre las que se incluyen: Los análisis generales de vibraciones no exigen un elevado nivel de formación. El uso de los medidores de vibraciones generales está al alcance de todo tipo de técnicos, lo que permite su uso en un mayor espectro de máquinas en una planta. Un medidor de vibraciones general empleado para tareas de control puede ayudar a identificar de manera eficaz las máquinas que necesitan pruebas de vibraciones más exhaustivas. Cualquier máquina que muestre una tendencia negativa con el tiempo o que muestre un valor general anormalmente alto en una prueba, debe someterse a otras pruebas con técnicas más avanzadas. El coste de los medidores de vibraciones generales no es elevado; su coste puede suponer alrededor de una décima parte de un analizador de espectro de vibraciones. Además de estas ventajas, Fluke pone especial interés en el diseño del medidor de vibraciones 805 FC, de forma que se han mitigado en parte las limitaciones de este tipo de dispositivos. Por ejemplo: 1. El Fluke 805 FC incluye una escala de gravedad de vibraciones generales para 37 tipos comunes de máquinas industriales (categorías). Cuando utilice el 805 FC, solo tiene que seleccionar la categoría de maquinaria en que se realice la comprobación de la lista de dispositivos. El dispositivo mostrará una escala de gravedad con el valor de vibración general medido. Consulte el apéndice para ver una lista de los 37 tipos de máquinas (categorías) que incluye el Fluke 805 FC. 3 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

4 Alta 4000 Hz a Hz Baja 10 Hz a Hz Temperatura de funcionamiento -20 C a 200 C 01/09/2011 9:10 AM Rodamiento 3 CF+ BUEN ESTADO Vibración general 10,67 mm/s 0,42 pulgadas/s (cal pk) INACEPTABLE Temperatura 20,4 C ID:VENT.1:RODAMIENTO1 TIPO:Vent. axial RPM:> 600 Vibración de rodamientos (CF+) Vibración general Temperatura por IR 2. El Fluke 805 FC utiliza un nuevo algoritmo propio, denominado Factor cresta plus, que identifica defectos en los rodamientos mucho antes que un medidor de vibraciones simple. El algoritmo Factor cresta plus utiliza medidas de alta de alta precisión. Se trata a fondo en la siguiente sección. 3. El Fluke 805 FC utiliza un nuevo algoritmo propio, denominado Factor cresta plus, que identifica defectos en los rodamientos mucho antes que un medidor de vibraciones simple. Esta función permite asignar mediciones a un equipo concreto para recoger información básica y cumplimentar su historial de mantenimiento, registrar las tendencias de averías intermitentes y compartir tareas mediante ShareLive en la app Fluke Connect. Las medidas se pueden incluir en pedidos de trabajo mediante PDF, Excel, o capturas de pantalla. 4. El Fluke 805 FC permite descargar los resultados en una plantilla de Excel para el seguimiento de las tendencias. Aunque un analizador de espectro es el mejor instrumento para determinar el origen de una vibración excesiva, el seguimiento y control de los valores de vibraciones generales es una excelente forma de identificar las máquinas que pueden presentar defectos y que se deben someter a pruebas más exhaustivas. Factor cresta plus y escalas de gravedad de alta Algunos defectos de maquinaria (los fallos de rodamientos, en concreto) no se suelen identificar con un valor de vibraciones general hasta que se ha producido un daño significativo. Esto ocurre por una simple razón: los primeros síntomas de alerta de errores en un rodamiento son picos de señal de muy corta duración. Como estos picos tienen muy poca duración, tienen muy poco valor energético y, por lo tanto, no tienen un impacto significativo sobre el valor de las vibraciones en general. En un esfuerzo por identificar mejor los primeros signos de daños en los rodamientos, algunos analistas de vibraciones comenzaron a utilizar el factor de cresta, que se define como la relación entre el pico de la señal y su verdadero valor eficaz (RMS) en el dominio del tiempo. El factor de cresta demostró ser un factor excelente para identificar los primeros signos de fallos, porque la diferencia significativa entre el valor de pico de corta duración y el valor RMS causaba que el valor del factor de cresta aumentara rápidamente durante las primeras fases de avería del rodamiento. Sin embargo, se producía un problema a medida que empeoraban los daños en el rodamiento. Los graves daños del rodamiento hacían que el valor RMS en el dominio del tiempo se incrementaran de manera significativa. Como RMS es el denominador de la proporción del factor de cresta, causaba que el valor del factor de cresta se redujese. Paradójicamente, el factor de cresta se reducía mientras aumentaba el daño en el rodamiento. El analista que observaba un bajo valor de factor de cresta no sabía a ciencia cierta si el rodamiento estaba en buen estado o presentaba daños, lo que no reflejaba su verdadero estado. En un esfuerzo por dar solución a este problema con el análisis de factor de cresta, el Fluke 805 FC utiliza un algoritmo propio conocido como Factor cresta plus. Los valores del Factor cresta plus pueden estar relacionados con los daños en los rodamientos según el siguiente gráfico: CF+ 0 a 5 Bueno Gravedad 6 a 10 Satisfactorio 11 a 15 Insatisfactorio por encima de 15 Inaceptable El algoritmo Factor cresta plus es un avance importante en los análisis de vibraciones de factor de cresta tradicionales, ya que el valor de salida (CF+) aumenta de manera continua a medida que se incrementa el daño en el rodamiento. El apéndice 2 contiene algunos detalles técnicos relativos al algoritmo Las tres limitaciones del análisis general de vibraciones La primera limitación del análisis general de vibraciones es que máquinas diferentes tienen niveles diferentes de vibraciones. Los sopladores rotativos, por ejemplo, tienen niveles de vibración muy altos, incluso cuando están en buen estado. Se debe al diseño básico de la máquina, que consiste en dos ejes paralelos con una serie de lóbulos intercalados que giran de forma sincronizada para comprimir el aire. Por contra, las bombas centrífugas de succión de una salida (con un único eje rotatorio y una hélice que gira en el interior de una voluta) tienden a tener niveles generales de vibraciones muy bajos cuando están en buen estado. Un nivel general de vibraciones de 7,6 mm/s (0,300 pulgadas/s) en una bomba centrífuga indica un problema de la máquina, mientras que el mismo nivel de vibraciones en un compresor rotatorio lobulado indica que la máquina está en buen estado. La segunda limitación de los análisis generales de vibraciones es que algunos defectos de la maquinaria, por ejemplo, los defectos en los rodamientos, no serán indicativo de un nivel de vibración alarmante hasta que se haya producido un daño significativo. Cuando un rodamiento empieza a fallar debido a un defecto en el anillo exterior, anillo interior o bola/rodillo, aparecerán picos de muy corta duración en el marco 4 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

5 Señal en el dominio del tiempo en buen estado Los niveles de CF y CF+ son bajos Señal en el dominio del tiempo que muestra los primeros daños en rodamientos Los niveles de CF y CF+ son medios Señal en el dominio del tiempo que muestra daños graves en rodamientos El nivel de CF vuelve a un valor bajo, pero el nivel de CF+ es alto temporal cada vez que el fallo haga contacto con un componente adyacente del rodamiento. Estos picos tienen muy poca carga energética y por ello tienen muy poco efecto en el valor total de las vibraciones. A medida que aumentan los daños en el rodamiento, la energía de los picos irá aumentando junto con las vibraciones de la máquina. Por último, harán que el valor general de las vibraciones se incremente antes de que se produzca una avería catastrófica. Sin embargo, lo ideal sería identificar un rodamiento defectuoso en sus primeras fases, cuando los picos tengan un valor energético reducido. Un análisis general de vibraciones no es el método apropiado para ello. La tercera limitación del análisis general de vibraciones es que una vez detectado un nivel de vibraciones grave, no es posible determinar el origen de la vibración mediante el uso de este análisis de forma exclusiva. Por contra, un análisis del espectro de permite a un analista experimentado identificar la causa posible de las vibraciones estudiando los patrones del espectro que son indicativo de fallos como desequilibrios, alineaciones incorrectas, holguras, daños en los rodamientos, correas desgastadas o sueltas, etc. Conclusión En este documento técnico nos hemos centrado en dos métodos de análisis de vibraciones que se pueden emplear para examinar datos de vibraciones basados en acelerómetros: análisis del espectro de s y análisis de vibraciones en general Somos conscientes de que ambos métodos tienen pros y contras. El análisis del espectro de s es ideal para identificar el origen de un problema de vibración pero requiere unos conocimientos muy avanzados para su puesta en práctica. Fluke diseñó el 810 para vencer esta limitación, incorporando para ello un mecanismo de diagnóstico que identificara automáticamente la gravedad de los cuatro problemas más comunes de la maquinaria: alineación incorrecta, desequilibrio, holguras y averías en los rodamientos. Los análisis generales de vibraciones no son costosos y son fáciles de implementar, pero tienen algunas limitaciones importantes, entre las que se incluyen: los diferentes tipos de máquinas muestran diferentes niveles generales de vibraciones cuando están en buen estado. Además, el daño de los rodamientos no afecta a la lectura general de vibraciones hasta que se ha producido un daño importante. El Fluke 805 FC permite descargar los resultados en una plantilla de Excel para el seguimiento de las tendencias. En un programa completo de mantenimiento predictivo, tanto el análisis del espectro de s como el análisis general de vibraciones tienen perfecta cabida. Ambas herramientas se deben emplear conjuntamente para identificar defectos en la maquinaria, de forma que se puedan adoptar las medidas correctivas antes de que se produzcan fallos en la máquina. 5 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

6 Apéndice 1: Métodos para calcular el valor de vibración en general Existen diferentes métodos para calcular el valor general de una señal de vibración. Las diferencias claves son las siguientes: Pico frente a RMS Dominio del tiempo frente va dominio de la Unidades: Aceleración frente a velocidad frente a desplazamiento Pico frente a RMS La vibración general se puede expresar como un valor de pico o RMS. El valor de pico se define simplemente como el valor absoluto del pico de mayor magnitud por encima o por debajo del origen en una señal en el dominio del tiempo. En la forma de onda temporal siguiente el valor de pico es de aproximadamente 4,0 porque el pico más alto tiene una diferencia de 4,0 unidades superior al origen. En cambio, el valor RMS se calcula utilizando todos los valores de la forma de onda en el tiempo según la fórmula siguiente: donde x(t) son los valores de los datos en la serie temporal. Unidades: Aceleración frente a velocidad frente a desplazamiento La vibración en general también se puede expresar en unidades diferentes: Aceleración [expresada generalmente en g], Velocidad [en o ] o desplazamiento [en micras o mil (milésimas de pulgada)]. Por definición, los acelerómetros recogen datos de series temporales en unidades de aceleración. Por lo tanto, los datos de serie temporal del acelerómetro se deben integrar antes de calcular el valor de velocidad general y, de nuevo, antes de calcular el valor de desplazamiento general. Otros sensores que pueden recoger datos directamente en unidades de velocidad (bobinas de velocidad) o en unidades de desplazamiento (sondas de proximidad), pero el Fluke 805 FC y el 810 únicamente utilizan acelerómetros. En resumen, cuando se realizan análisis generales de vibraciones, se debe tener especial cuidado para utilizar siempre el mismo método de cálculo (pico frente a RMS) y unidades (aceleración frente a velocidad frente a desplazamiento) cuando se comparen dos valores. A continuación se muestra un gráfico de ejemplo que muestra una tendencia de vibración general a medida que empeora el estado de una máquina. 0,7 0,6 Vibración general 0,5 0, ,2 0,1 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT Dominio del tiempo frente a dominio de la El valor RMS de una señal de vibración se puede calcular en el dominio del tiempo o de la. La ecuación anterior muestra cómo se calcula en el dominio del tiempo. La relación de Parseval garantiza que es posible obtener el mismo valor exacto si calculamos el valor RMS en el dominio de la como se indica a continuación: donde X(f) es simplemente la transformada de Fourier de la señal de la serie a lo largo del tiempo x(t). 6 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

7 Apéndice 2: Descripción técnica del Factor cresta plus A continuación se muestra un ejemplo de un gráfico con un factor de cresta ordinario que varía de 3 a 7 y vuelve a 4 a medida que se acentúa el desgaste del rodamiento, mientras que CF+ aumenta de forma constante de 3 a 12 a medida que empeora el estado del rodamiento CF CF ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT 7 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus

8 Apéndice 3: Lista categorías de equipos para el Fluke 805 FC REFRIGERADORES (refrigeración) Máquinas alternativas (motor abierto y compresor separado) Máquinas alternativas (motor hermético y compresor) Máquinas centrífugas (motor hermético o abierto) Ventiladores Ventiladores accionados por correa de 1800 a 3600 rpm Ventiladores accionados por correa de 600 a 1799 rpm Ventiladores de accionamiento directo en general (acoplamiento directo) Sopladores de vacío (accionamiento directo o por correa) Ventiladores grandes de tiro forzado (rodamientos lubricados) Ventiladores grandes de tiro forzado (rodamientos lubricados) Ventilador integrado montado en eje (eje del motor extendido) Ventiladores de flujo axial (accionamiento directo o por correa) Accionamientos en torres de refrigeración Eje motor largo y hueco (motor) Accionamiento por correa (motor y ventilador) Accionamiento directo (motor y ventilador) Bombas centrífugas Bombas verticales (altura de 3,7 a 6,1 m o 12 a 20 pies)* Bombas verticales (altura de 2,4 a 3,7 m o 8 a 12 pies)* Bombas verticales (altura de 1,5 a 2,4 m o 5 a 8 pies)* Bombas verticales (altura de 0 a 1,5 m o 0 a 5 pies)* Acoplamiento directo Bombas centrífugas de succión de salida horizontal Bombas centrífugas de succión de salida doble horizontal Accionamiento de turbina o motor Bombas de alimentación de calderas * En la altura desde la pendiente hasta el rodamiento superior del motor, puede ser necesario especificar una alarma inferior para el rodamiento del motor inferior y el rodamiento de la bomba superior (dependiendo de la altura). Bombas de desplazamiento positivo Bombas de pistón horizontal de desplazamiento positivo (bajo carga) Bombas de engranaje horizontal de desplazamiento positivo (bajo carga) Compresores de aire Máquinas Tornillo rotativo Máquina centrífuga con o sin caja de engranajes externa Máquina centrífuga. Engranaje interno (medida axial) Máquina centrífuga. Engranaje interno (medida radial) Sopladores Sopladores lobulares rotativos (accionamiento directo o por correa) Sopladores centrífugos de múltiples etapas (accionamiento directo) Cajas de engranajes de tipo general (rodamientos de elementos rodantes) Caja de engranajes de una etapa Máquinas-herramienta Motor Entrada de la caja de engranajes Salida de la caja de engranajes Husos: operaciones de desbaste Husos: acabado de la máquina Husos: acabado crítico Fluke. Manteniendo su mundo en marcha. Fluke Ibérica, S.L. Avda de la Industria, 32 Edificio Payma Alcobendas (Madrid) Spain Tel: Fax: cs.es@fluke.com Acceso a Internet: Fluke Corporation. Reservados todos los derechos. Información sujeta a modificación sin previo aviso. 3/ c-es No se permite ninguna modificación de este documento sin permiso escrito de Fluke Corporation. 8 Fluke Corporation Vibración general, niveles de gravedad y factor cresta plus