DE Especialización en Confiabilidad Operacional, Octubre 2001 Procesos de Deterioro I: Medición y Análisis de Vibraciones Prof. Sergio E. Diaz Laboratorio de Dinámica de Máquinas (212) 906 4136 sdiaz@usb.ve NEGOCIO (generación de riqueza y bienestar) PRODUCCION de Bienes y/o Servicios OPERACION de plantas y/o equipos Deterioro de su Condición: degradación química y/o mecánica que afecta su operatividad Deterioro de la Condición de Equipos -Estáticos -Dinámicos Proceso Gradual Progresivo de modificación de las condiciones de operación ES CUANTIFICABLE!!!!!! http://www.ldm.laba.usb.ve 1
DE Monitoreo de la Condición Medición sistemática de variables asociadas e indicativas de la condición del equipo: Niveles de Vibración Temperatura Espesores de Pared Contaminación de fluidos Propiedades del lubricante etc. Monitoreo Sistemático de la Condición Registro Histórico de la Condición del Equipo Identificación de Tendencias No Hay Sorpresas Confiabilidad Operacional Variables Asociadas o Indicadoras Mecanismos de Deterioro http://www.ldm.laba.usb.ve 2
DE Mecanismos de Deterioro Desgaste o Modificación dimensional Erosión o pérdida de material Degradación química o mecánica, pérdida de propiedades (fatiga, reacción química, corrosión, envejecimiento) Acumulación de sedimentos o intrusiones Problemas de operación otros Variables Asociadas e Indicadores Vibración Temperatura Propiedades de Aceites Espesores de Pared Presencia de contaminantes Resistencia Eléctrica Parámetros operativos (presiones de entrada, salida e intermedias, caudal o flujo, velocidad, calidad del producto final) Ruido Otras. Técnicas de Monitoreo Análisis de vibraciones Análisis Tribológico o de aceites Termografía Ultrasonido Liquido penetrante Resistencia Eléctrica Flujo Magnético, corriente Análisis visual (boroscopio) Registro de Variables de proceso Otras. http://www.ldm.laba.usb.ve 3
DE Técnicas de Monitoreo Ninguna proporciona la verdad absoluta Ninguna es completa por si sola Es necesario combinarlas eficientemente para asegurar una determinación confiable de la condición. Técnicas de Monitoreo Todas permiten cuantificar de alguna manera la condición del equipo Es posible establecer niveles y patrones (numéricos) aceptables o normales de funcionamiento Permiten fijar niveles de alarma basados en especificaciones del fabricante, normas y/o experiencia previa Por análisis de tendencias es posible predecir el comportamiento futuro y la posibilidad de una falla dentro de ciertos rangos de confiabilidad. Identificación de Procesos de Deterioro más comunes Árbol Lógico de Falla Planta Equipos Dinámicos Equipos estáticos Instrumentation Turbomaquinas Bombas Valvulas tuberias http://www.ldm.laba.usb.ve 4
DE Medición y Análisis de Vibraciones Permite cuantificar el deterioro o la condición de equipos dinámicos Permite discernir entre diferentes causas de problemas Permite establecer la severidad Permite, por medio del establecimiento de tendencias, predecir posibles fallas. Medición y Análisis de Vibraciones Por que vibran las maquinas? Qué características diferencian su comportamiento? Como puede medirse y analizarse la vibración de una maquina? Como puede relacionarse la vibración medida con la condición de los componentes de la maquina? Causas de Vibración Desbalanceo Eje doblado Desalineación Inestabilidad hidrodinámica (en cojinetes, sellos o rodetes) Desgaste o daños en elementos tribologicos (rodamientos, engranajes, cojinetes, acoplamientos) Roce entre partes en rotacion y estacionarias Holgura mecanica excesiva Apriete inadecuado Resonancias estructurales Grietas en los rotores http://www.ldm.laba.usb.ve 5
DE VIBRACION Es un movimiento oscilatorio que puede o no ser periódico (ocupa la misma posición en un mismo tiempo). Ejemplo:Péndulo Generalmente se transforma energía potencial en energía cinética. Se rigen bajo la ecuación: MX'' + CX' + KX = F(t) ACUMULADORES DE ENERGIA A) Energía Cinética -Masa Partícula Cuerpo rígido -Volantes inercia B) Energía Potencial -Resorte -Masa -Elementos elásticos NOTA: Algunos sistemas pueden utilizar métodos de análisis que puedan llevarlos a ser lineales siendo originalmente no-lineales, pero muchos otros tendrán que ser analizados en forma no-lineal x PIR M K x PEE Análisis de la ecuación: M X(t)'' + C X(t)' + K X(t) = F(t) La respuesta es de la forma: X(t) = X h (t) + X p (t)... X h Respuesta Homogénea... X p Respuesta Particular * Amplitud RMS está relacionada con la energía http://www.ldm.laba.usb.ve 6
DE 2.5 X 2 Amplitud Cero-Pico Amplitud Pico-Pico 1.5 1 Xo PEE 0.5 OFFSET 0 0 1 2 3 4 5 6 T = 1/f t CONCEPTOS BASICOS : F(t) Periódicas Armónica simple F( t) = F0 sen( t + α) Armónica compuesta F( t) = F1 sen( 1 t + α1) + F2 sen( 2 t + α 2 ) No periódicas NOTA Las funciones periódicas pueden representarse utilizando series de Fourier. M X '' + CX ' + kx = F0 sen( t) X ( t) = A sen( t) + B cos( t) = Χ sen( t + φ) = D e p X p Κ = F0 ( t) = k Κ sen( t + φ) 1 2 2 ( 1 r ) + ( 2 ξ r) 2 i t K... FACTOR DE AMPLIFICACION DINAMICO http://www.ldm.laba.usb.ve 7
DE Χ Κ = F o k RETRASO DE FASE 1 2 ξ r φ = tan 2 1 r C ξ = 2 k M r = n FRECUENCIAS FRECUENCIA NATURAL n = k M FRECUENCIA AMORTIGUADA d = n 2 1 ξ FRECUENCIA CRITICA c = n 2 1 2 ξ ( 1 1 ) 2 100 n d Error = 100 = ξ n MEDICION DE LA FRECUENCIA NATURAL Xo Χ Fo / k F0 X p ( t) = Κ sen( t + φ) k Fo 1 / k ΧΚ = ( 1 r 2 ) 2 + ( 2 ξ r) 2 T r La n no puede ser determinada experimentalmente, ya que no existe sistema real que no presente amortiguacion en lo absoluto. Para determinar n es necesario determinar d o critico empleando las ecuaciones anteriores. http://www.ldm.laba.usb.ve 8
DE SISTEMAS DE MULTIPLES GRADOS DE LIBERTAD n... Número de grados de libertad M nxn {x''} n +C nxn {x'} n +K nxn {x} n ={F(t)} n {x} = {Χ} e it [M]{x''}+[K]{x} = {F(t)} - [C]{x'} Por analogía {x(t)} = {x h (t)} + {x p (t)} F(t) Solución homogénea: {x h (t)} = {X} e it {x h '(t)} = i{x} e it [- 2 M +K]{X} e it = {0} {x h ''(t)} = - 2 {X} e it Solución particular: F(t) = {F}e it M{x''}+ C{x'}+ K{x} = {F}e it [- 2 M+i C + K]{X}e it = {F}e it {X} = [- 2 M+i C + K] -1 {F} x b i1 p 1 b i2 p 2 x i (t) = b i1 p 1 + b i2 p 2 +... + b in p n c1 c2 MEDICION DE LA VIBRACION http://www.ldm.laba.usb.ve 9
DE Sistemas Analizados PASIVOS No necesitan un excitador ACTIVOS Para vibrar necesitan ser excitados LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer) Vs X x Rango lineal Núcleo Ferromagnético Bobina secundaria Vo (AC) Bobina Primaria Mide el desplazamiento absoluto ya que la carcasa se encuentra fija a tierra Transductor de proximidad de reluctancia variable Vs Material Ferromagnético x http://www.ldm.laba.usb.ve 10
DE Transductor de Resistencia Variable Vo Vs Rm x Vs = Vo L x L Corrientes de Eddy (Sensor de proximidad) Probeta Condicionador 10-100MHz V V Material Ferromagnético d Rango de operación d No necesitan contacto físico y por ello son muy utilizados en la medición de vibraciones en ejes Transductores Sísmicos: Sismógrafo s M y C K X Entrada * F.T. = Salida http://www.ldm.laba.usb.ve 11
DE Vibrómetros Vs M Masa Sísmica (Imán Permanente) X No necesitan amplificador Son de gran tamaño Acelerómetros Masa Sísmica M Cristal Piezoeléctrico Vs, q Necesitan amplificador Son pequeños Criterios de Aplicabilidad Acelerómetro Vibrómetro Proximitor 1 Hz 10 KHz 30 KHz http://www.ldm.laba.usb.ve 12
DE Celdas de Carga F Cristal Piezoeléctrico Vs, q Este tipo de instrumento NO sirve para realizar mediciones de señales estáticas. F Instrumentos Para Generar Excitación Inerciales: La fuerza se produce por el desbalance. Los dos discos deben estar acoplados para rotar a la misma velocidad. F=Fo*sen(t) Shaker Electromagnético V1 La fuerza se produce por variación del campo magnético Mucho más versátiles que los inerciales F=Fo*sen(t) V2 http://www.ldm.laba.usb.ve 13
DE Martillo de Impacto Celda de Carga N Las frecuencias excitadas dependen del tipo de impacto Montaje de Sensores Tornillo... Apernado Cera... Cera de abeja (2000 Hz) Base con tornillo Epoxy... Epoxy (1500 Hz) Cinta... Cinta Adhesiva (1000 Hz) Imán... Base Magnética (500 Hz) Punta... Jinete (300 Hz) http://www.ldm.laba.usb.ve 14