CAPÍTULO IX DESALINEAMIENTO

ANÁLISIS VIBRACIONAL EN EQUIPOS ROTATIVOS Y MANTENIMIENTO PREDICTIVO CAPÍTULO IX DESALINEAMIENTO

ANÁLISIS VIBRACIONAL EN EQUIPOS ROTATIVOS Y MANTENIMIENTO PREDICTIVO DESALINEAMIENTO Introducción... 9.5 Fundamentos del desalineamiento... 9.5 Influencia del acoplamiento... 9.8 Compensación térmica por dilataciones... 9.9 Desalineamiento entre engranajes... 9.9 Desalineamiento entre poleas... 9.10 Ejercicios... 9.11 Bibliografía... 9.11 Ejemplo ilustrativo... 9.12 Análisis de vibraciones del ejemplo ilustrativo... 9.14 Trabajos realizados... 9.15 Recomendación y prueba final... 9.16

DESALINEAMIENTO INTRODUCCIÓN La falta de alineamiento entre dos ejes acoplados causa fuerzas en los cojinetes que dependen de la precarga rotativa y de la rigidez del eje; Esta falla no es fácil de solucionar, porque para alinear correctamente un eje con otro se deben conocer los siguientes factores; dilatación térmica de los pedestales, tipos de cojinetes, especificaciones técnicas del acoplamiento y las limitaciones físicas del equipo para alinear. FUNDAMENTOS DEL DESALINEAMIENTO Cuando hay desalineamiento angular, la vibración axial tiene una frecuencia igual a 1RPM (ver figura 9.1), considerando; un eje rígido y un pin del acoplamiento como referencia, observamos que; por cada giro del eje rígido, el eje flexible tiene un ciclo de movimiento axial. El eje doblado o deflexionado vibra en forma similar que el desalineamiento angular, ambas generan vibraciones axiales importantes. Figura 9.1 Frecuencia de la Vibración Axial a 1RPM por Desalineamiento Angular DESALINEAMIENTO - 9.5

Cuando hay desalineamiento paralelo, la vibración radial tiene una frecuencia igual a 2RPM (ver figura 9.2), considerando; uno de los ejes rígido y un pin del acoplamiento como referencia, observamos que; por cada giro del eje rígido, el eje flexible tiene dos ciclos de movimiento radial, la orbita generada es del tipo banana y los ángulos de fase de las vibraciones radiales a 1RPM en los apoyos cercanos al acoplamiento son 180, sí el desalineamiento es severo se producen también vibraciones a 3RPM. Las vibraciones radiales causadas por el desalineamiento, predominan en la dirección del desalineamiento, si el desalineamiento paralelo es vertical, entonces la vibración producida será en la dirección vertical. Figura 9.2 Frecuencia de la Vibración Radial a 2RPM por Desalineamiento Paralelo DESALINEAMIENTO - 9.6

Hay muchas razones para que exista una condición de desalineamiento, tales como; falla en la cimentación, esfuerzos en las tuberías, variaciones de temperaturas entre pedestales y falta de torque en las uniones empernadas de los apoyos, estas condiciones deberían ser verificadas para asegurar un alineamiento satisfactorio. Esta vibración indeseable causa desgaste; en los engranajes, en el acoplamiento y en los cojinetes. Antes de proceder a alinear se debe observar lo siguiente: Desacoplar e inspeccionar: cople, pernos, tuercas, bocinas, cubos y cambiar los que se encuentran deteriorados. Verificar la perpendicularidad de los cubos con respecto al eje; No deben ser mayores que 0.002 pulgadas TIR, corregir si fuera necesario. Verificar la redondez de los cubos, principalmente en el área de medición (si se utilizan diales comparadores), no deben ser mayores que 0.002 pulgadas TIR, corregir si fuera necesario. Verificar los juegos axiales tanto de la máquina motriz como de la maquina accionada, corregir si fuera necesario, comparar con el juego axial que puede absorber el acoplamiento y ajustar la distancia entre los cubos para evitar los esfuerzos axiales. Instalar un dial en los sentidos horizontal y vertical del cubo (extremo del lado del cople) de la maquina accionada y ajustar los pernos de las tuberías, si el dial varía en 0.001 pulgadas hay problemas de esfuerzos en las tuberías que deben ser eliminados. Cuando las lecturas de vibración indican una condición de desalineamiento y al verificar los ejes se comprueban que no hay desalineamiento entonces es posible que la máquina esta siendo distorsionada y los cojinetes desalineados por montaje inapropiado de la máquina. El eje deflexionado también presenta una segunda armónica (2RPM) en el espectro de frecuencias porque causa desalineamiento y estará en fase con la frecuencia fundamental (1RPM). Si se observa desfase o cambio del ángulo de fase, entonces; hay soltura y no hay deflexión. Las patas cojas también generan altos niveles de vibración a 1RPM y 2RPM, que fácilmente se confunden con el desalineamiento y la distorsión, la mejor manera de DESALINEAMIENTO - 9.7

identificar el problema es aflojando y ajustando las tuercas de los apoyos y observando continuamente los niveles de vibración. Será necesario comprobar con un dial comparador que las patas de la máquina se encuentren en un plano, al ajustar los pernos de las patas, los diales instalados en cada pata deberán indicar la misma medida sino las patas no están apoyadas en un plano y pueden causar distorsión y será necesario calzar con laminas según se requiera en la máquina motriz como en la accionada. INFLUENCIA DEL ACOPLAMIENTO Los diversos tipos de acoplamientos flexibles están diseñados para absorber pequeños desalineamientos paralelos y angulares. Estos acoplamientos necesitan estar siempre apropiadamente lubricados para que trabajen bien, si falla la lubricación el acoplamiento se puede trabar debido al torque que recibe y transmite, si esto sucede el desalineamiento que puede ser insignificante puede llegar a producir vibraciones excesivas. Esta condición se comprueba cuando no se repiten las lecturas de vibración axial y ángulo de fase en dos o tres arranques, porque el cople se traba en diferente posición en cada arranque. Figura 9.3 Alineamiento en Frío con Compensación Térmica por Dilatación de sus Apoyos DESALINEAMIENTO - 9.8

COMPENSACIÓN TÉRMICA POR DILATACIONES Para alinear máquinas que trabajan calientes, es necesario considerar que la distribución de temperaturas en los apoyos es exponencial (por ejemplo entre TA2 y TA1), entonces es necesario calcular integrando las dilataciones diferenciales de cada apoyo, para desalinear en frío los ejes, lo estrictamente necesario para que en caliente trabajen alineados (ver figura 9.3). DESALINEAMIENTO ENTRE ENGRANAJES Si hay desalineamiento entre dos engranajes (ver figura 9.4), entonces el espectro de vibraciones presentará hasta tres armónicas de la frecuencia de engrane (GMF: # dientes x RPM) 1GMF, 2GMF y 3GMF. Figura 9.4 Desalineamiento entre Diversos Tipos de Engranajes Normalmente la primera armónica es la de mayor amplitud, pero si la segunda armónica es mayor amplitud se debe sospechar de un problema de excesivo juego entre dientes. Los engranajes desalineados indican que los dientes no encajan igualmente a través de la línea primitiva, notar que el desgaste es generalmente sobre la mitad del ancho del diente. DESALINEAMIENTO - 9.9

Los engranajes pueden estar desalineados por las siguientes causas; Cajas de engranajes con alojamientos de cojinetes desalineados. Engranaje suelto con respecto al eje o cojinetes sueltos con respecto a sus alojamientos. La conicidad del eje no es la misma que la conicidad del agujero del engranaje. DESALINEAMIENTO ENTRE POLEAS El desalineamiento entre dos poleas o catalinas que utilizan fajas en V o cadenas, causan no solamente altas vibraciones axiales y radiales, sino también provocan un acelerado desgaste de poleas, cadenas, catalinas y fajas en V. DESALINEAMIENTO - 9.10

EJERCICIOS 1. Cuál será el espectro de frecuencias esperado de un tren de engranajes desalineado, si el engranaje gira a 1760 RPM y tiene 55 dientes?. 2. Cuales son las características de vibración de una máquina que tiene el acoplamiento trabado por falta de lubricación? BIBLIOGRAFÍA 1. Jack N. Essinger, A Closer Look at Turbomachinery Alignment Shell Chemical Co., Houston; Hydrocarbon Processing, Gulf Publishing Co.; 1974. 2. John D. Piotrowski; Alignment Condition and its Effect on the Vibration Response of Rotating Machinery, General Electric Co. Evendale, Ohio; Vibrations Vol. 1, No. 4, March 1996; Vibration Institute. DESALINEAMIENTO - 9.11

EJEMPLO ILUSTRATIVO El motor eléctrico de inducción de un soplador, equipo principal de una Refinería (ver figura 9.5), presentó amplitudes de vibración no constantes que llegaron a valores fuera del rango admisible según el estándar VDI 2056 (Clase III, ver tabla 9.2). COPLE: 1.5 +/- 0.5 mm SOPLADOR: 0.2 +/- 0.05 mm MOTOR: +/- 3.5 mm Figura 9.5 Puntos de Tomas Vibracionales y Juegos Axiales Recomendados para el Soplador, Cople y Motor El espectro típico que presentaba el motor de inducción de 715 Kw. de potencia, 4160 V, 114 A y que trabaja a 3593 RPM, es tal como se muestra en la figura 9.6 y en la tabla 9.1. En ella se observa múltiples armónicas de RPM/4 (898 CPM) y las amplitudes más importantes corresponden a 1RPM y 2RPM (3593 CPM y 7185 CPM), el motor de inducción y el soplador tienen cojinetes de fricción. DESALINEAMIENTO - 9.12

Figura 9.6 Espectro de Frecuencias del Motor Lado del Cople en el Sentido Vertical Diagnostic Chart Frequency CPM Amplitude mm/sec Frequency Ratio Frequency Difference 898 0.243 0 1 1796 0.923 2.004 898 2 2693 2.201 3.004 1796 3 3593 6.757 4.008 2696 4 4489 1.041 5.008 3593 5 5389 0.650 6.013 4493 6 6285 0.588 7.013 5389 7 7185 5.769 8.017 6289 8 8081 1.975 9.017 7185 9 8978 1.476 10.017 8081 10 9878 0.880 11.021 8981 Tabla 9.1 Tabulación de Amplitudes y Frecuencias del Espectro de la Figura 9.6 Los analistas de vibración de la planta diagnosticaron que la falla principal era el desalineamiento, esta unidad fue alineada por diferentes técnicos propios y contratados en varias ocasiones y con diversos métodos, sin lograr disminuir las DESALINEAMIENTO - 9.13

vibraciones. El gerente de planta de esta compañía solicitó mis servicios para determinar la fuente de las vibraciones y eliminar el problema. rms velocity ranges of vibration severity Vibration severity* for separate classes of machines mm/seg Class I Class II Class III Class IV 0.19 0.45 0.71 1.12 1.8 2.8 4.5 7.1 11.2 18 28 45 A B C D * The letters A, B, C, and D represent machine vibration quality grades, ranging from good (A) to unacceptable (D). Class I. Individual components, integrally connected with the complete machine in its normal operating conditions (i.e., electric motors up to 15 kilowatts, 20 HP). Class II. Medium sized machines (i.e. 15- to 75-kilowatt electric motors and 300-kilowatt engines on special foundations). Class III. Large prime movers mounted on heavy, rigid foundations. Class IV. Large prime movers mounted on relatively soft, lightweight structures. A B C D A B C D A B C D Tabla 9.2 Tabla de Severidad de Vibraciones Estándar VDI 2056 ANÁLISIS DE VIBRACIONES DEL EJEMPLO ILUSTRATIVO El espectro de frecuencias mostrado en la figura 9.6 y tabulado en la tabla 9.1, nos indican las siguientes probables fallas: 1. Las múltiples armónicas de RPM/4 (898 CPM), nos indican que hay excesiva tolerancia entre el eje y uno de los cojinetes de fricción. 2. Las vibraciones filtradas con las amplitudes más importantes que corresponden a 1RPM y 2RPM (3593 CPM y 7185 CPM), nos indican desalineamiento; pero DESALINEAMIENTO - 9.14

ya se ha tratado de alinear la unidad en varias oportunidades sin lograr disminuir las vibraciones en el motor de inducción ni en el soplador. 3. Las vibraciones no constantes que varían aún sin existir cambios significativos en las condiciones operativas, nos indican que la unidad trabaja en una situación inestable. 4. Al comparar las tomas vibracionales tomadas en el mismo punto; espectro con altas amplitudes versus espectro con bajas amplitudes, se observa que las amplitudes filtradas que varían son a 1xRPM (3,583) y a 2xRPM (7,166), debido a la variación del desalineamiento. Figura 9.7 Ángulos de Fase a 1RPM en el Sentido Vertical TRABAJOS REALIZADOS 1. Medición de las temperaturas de los apoyos y calculo de las dilataciones de los pedestales, los del soplador se dilatan 0.006 pulgadas y los del motor 0.004 pulgadas; o sea que, en frío el eje del soplador debe estar por debajo del eje del motor en 0.002 pulgadas. 2. La medición de los ángulos de fase de las vibraciones filtradas a 1RPM, en el sentido vertical (ver figura 9.7) nos indica desalineamiento angular entre el motor y en soplador. DESALINEAMIENTO - 9.15

3. La unidad se encontró ligeramente desalineada, aún considerando la compensación térmica. 4. Inspección de los cojinetes de fricción, se halló un cojinete del soplador desgastado, el cual fue cambiado por uno nuevo. 5. Como el alineamiento estaba bien, sospeché que el problema de vibraciones debidas al desalineamiento podría estar en el acoplamiento, al conseguir la hoja técnica del acoplamiento encontré lo siguiente: El acoplamiento (Tipo N, tamaño 231) no fue correctamente seleccionado, porque su desalineamiento permisible es muy bajo para la potencia y la velocidad de trabajo requerida (ver figura 9.8 y 9.9): En el sentido radial r = 0.075 mm (0.003 pulgadas) En el sentido axial b = 0.25 mm (0.010 pulgadas) CONSIDERANDO QUE: Las tolerancias de los juegos radiales de los cojinetes del motor y del soplador varían de 0.10 a 0.30 mm (0.004 a 0.012 pulgadas). La diferencia de dilataciones de los pedestales del soplador y del motor es 0.002 pulgadas. Entonces; el acoplamiento trabajaba siempre fuera de su rango de desalineamiento permisible en el sentido radial. Esta es la razón por la cual nunca podían alinear la unidad y este acoplamiento siempre trabajó en una situación inestable. RECOMENDACIÓN Y PRUEBA FINAL Seleccionar un nuevo acoplamiento de más de 1,150 Kw. de potencia de cople, que tolere un juego axial máximo de +/-1.0mm, un juego axial mínimo de +/-0.5 mm y que absorba niveles de desalineamiento de hasta 0.5mm (0.020 pulgadas). Al cambiar el cople por otro que permitía mayor desalineamiento, las vibraciones filtradas a 1RPM y 2RPM disminuyeron significativamente y no se observó variaciones aleatorias de las amplitudes de vibración en el tiempo. DESALINEAMIENTO - 9.16

DESALINEAMIENTO - 9.17 Figura 9.8 Hoja Técnica de Selección del Cople

Figura 9.9 Desalineamiento Permisible para el Cople Tipo N, Tamaño 231 que trabaja a 3550 RPM y con un Factor de Carga K=1.64 DESALINEAMIENTO - 9.18