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Phelps DodgeCorporation
MONITOREO DE LA CONDICION MECANICA DE
LAS PALAS DE LA MINERIA A TRAVES DEL
ANALISIS DE VIBRACIONES Y MAGNITUDES
COMPLEMENTARIAS.
(Resumen del curso presentado por Dr. Ing. Pedro Saavedra G. en
la
Universidad de Concepcin Chile)
Abril - 2005
Ing. Fernando Dvila Gonzlez
Ing. Manuel Terrazas JimnezMantenimiento Predictivo
Proyectos e Ingeniera
Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A.
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Procesos
Metalrgicos
PROCESO DE EXTRACCION DE MINERAL
Mquinas
criticas de la
mina
Construccin de unidades ms grandes, ms complejas, ms
productivas
LA PARADA DE ESTOS EQUIPOS GENERA UNA MAYOR PERDIDA
DE PRODUCCIN
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MANTENIMIENTO REACTIVO: Se permite a la mquina funcionar hasta
la falla. En eseinstante se realiza la reparacin o reemplazo de
ella. Riesgo de una falla catastrfica.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO O BASADO EN TIEMPO: Esta basada en la
vida estadstica.Se interviene la mquina peridicamente para
inspeccionar y reemplazar componentes, an
cuando la mquina est operando satisfactoriamente.
MANTENIMIENTO PREDICTIVO O BASADO EN CONDICION: Se evala la
condicin mecnicade la mquina y su evolucin, mientras ella est
funcionando, a travs de diversos sntomas que
ella emite al exterior. En base a esto se programan las
necesidades de mantenimiento cuando se
detecta un problema en ella.
MANTENIMIENTO PROACTIVO. Se identifica y corrige las causas raz
de las fallas de lamquina. Con esta estrategia se maximiza su vida
til operativa
Sntomas
Anlisis de Vibraciones
Ondas de alta frecuencia (Ultrasonido,
emisiones acusticas, SPM)
Anlisis de aceite
Anlisis corriente elctrica
ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO
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Pasar de las estrategias actuales de mantenimiento
preventivas-reactivas a una
predictiva con el objetivo de:
Detener la mquina solo cuando sea necesario en forma confiable,
evitando queuna falla pequea se transforme en una mayor, o an ms en
una falla catastrfica.
Programar el mantenimiento adecuadamente.
ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO
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DIFICULTADES EN EL MONITOREO DE PALAS
- Cortos ciclos de trabajo.
- Velocidad variable.
- Carga variable.
Imposibilidad de utilizar
equipos comerciales durante
el funcionamiento de la pala.
Mediciones sin
carga y a velocidad
constante.
Porqu la experiencia con los equipos de la Planta no se ha
traspasado a
los de la Mina?
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Frecuencia = K RPM
Desbalanceamiento : K = 1
Frecuencias de engrane : K = N de dientes (Z)
Picadura rodamiento : K = BPFO ; BPFI ; 2BSF
Frecuencia paso ranuras : K = N ranuras del estator
Normalmente la frecuencia de las vibraciones est relacionada a
la velocidad de rotacin de algn eje de la mquina
order
ESPECTROS VIBRATORIOS DE MAQUINAS ROTATORIAS
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VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE
Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45
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Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45
Vibracin en los dominios: ngulos de giro del eje - orders
Se puede diagnosticar el problema igual como si la velocidad de
rotacin no variara
VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE
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Los mtodos utilizados para realizar el espectro en orders
son:
1. Muestreo de la seal mediante hardware
2. Remuestreo de la seal mediante software
3. Mtodo hbrido
METODOS PARA OBTENER ESPECTRO EN ORDERS
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1. Mtodo del muestreo de la seal mediante hardware.
Esta tcnica utiliza instrumentacin analgica compleja
especializada de
alto costo.
En ella se muestrea directamente la seal a incrementos de ngulos
de giro
constantes.
La frecuencia de muestreo se fija siguiendo la velocidad de
rotacin con un
tacmetro.
La velocidad de rotacin del eje se calcula a partir del periodo
entre dos
pulsos tacomtricos consecutivos.
Como la frecuencia de muestreo utilizada es la calculada en la
revolucin
anterior, este mtodo es propenso a errores cuando la velocidad
de
rotacin de la mquina est cambiando rpidamente]
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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2. Mtodo del remuestreo de la seal mediante software
Esta tcnica consiste en adquirir la seal y el pulso tacomtrico
a
intervalos de tiempo constante a travs de un sistema
convencional de
adquisicin de datos, posteriormente remuestrear por software la
seal
para obtenerla a intervalos de giro del eje constante. Para ello
se
siguen los siguientes dos pasos:
- Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo
constante.
- Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a
intervalos
de ngulo constante.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.
Conocido el valor de la vibracin en el tiempo lo primero es
determinar
los tiempos para los cuales se van produciendo los intervalos de
ngulo
constante a los cuales se quiere remuestrear la seal .
Para esto, se dispone de un pulso tacomtrico que determina el
tiempo
y la posicin angular del eje en el momento de llegada de cada
pulso.
Este pulso puede ser obtenido de un sensor de desplazamiento
montado frente a un eje ranurado o de un foto tacmetro apuntando
a
una cinta reflectante sobre el eje, ver Fig.2, o de los
pulsos
provenientes de un encoder
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.
Posicin
Angular
del eje
(rev.)
Figura 2. Determinacin de los tiempos en que el eje gira a un
ngulo
constante de 90
0.00
1.00
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Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a
intervalos
de ngulo constante.
: Puntos a intervalos de ngulo constante : Puntos a intervalos
de tiempo constante obtenidos por la tarjeta de adquisicin de
datos.
Figura 3. Determinacin de la amplitud de la vibracin para
los
intervalos
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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Una vez determinados los tiempos a intervalos de ngulo constante
se debe
determinar la amplitud de la seal a los intervalos de giro
constantes. Para
ello, los valores de amplitud a intervalos de giro constantes
(marcados con un
rombo rojo en Fig. 4) se interpolan entre los valores de
amplitud originalmente
adquiridos (marcados con un punto negro). Para este
procedimiento se
pueden utilizar distintos tipos de interpolaciones como se
indica en Fig. 4
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a
intervalos
de ngulo constante.
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3. Mtodo hbrido
La precisin de los resultados del espectro en rdenes obtenido es
muy
dependiente de la precisin con que se determina los tiempos de
llegada de
los pulsos tacomtricos. Esto es inherente a la adquisicin
digital del pulso.
La precisin aumenta al aumentar la frecuencia de muestreo, como
se
puede inferir observando la Fig. 5.
Para mejorar esta exactitud se requiere entonces adquirir el
pulso con una
alta frecuencia de muestreo . Esto sin embargo, trae como
consecuencia,
que si se usa una misma tarjeta de adquisicin para la seal
vibratoria y el
pulso(como lo hace el mtodo anterior),se tiene que manejar una
cantidad
muy grande de puntos.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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Esto requiere, sin embargo usar, para los pulsos tacomtricos
de una tarjeta diferente a la de las seales vibratorias y un
sincronismo muy riguroso entre ambas tarjetas.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
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Transformadas tiempo-frecuencia
El contenido frecuencial de una seal temporal estacionaria
es
obtenido por la Transformada de Fourier la cual cambia la seal
del
dominio temporal al dominio frecuencial.
Con esta transformacin sin embargo, no se puede obtener
informacin
acerca de la evolucin temporal de las componentes espectrales de
la
seal. Solo se obtiene un promedio de las componentes durante
el
periodo de anlisis.
Las Transformadas Tiempo-Frecuencia (TTF) son expresiones
matemticas que transforman la seal del dominio tiempo al
dominio
tiempo-frecuencia, permitiendo de sta forma disponer de la
evolucin
temporal del contenido frecuencial .
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Las Transformadas Tiempo-Frecuencia son representaciones
tridimensionales (amplitud-tiempo-frecuencia) que permite
analizar
como las componentes espectrales varan en el tiempo lo que
constituye una poderosa herramienta de diagnstico y se
pueden
clasificar en lineales o cuadrticas.
Dentro de las lineales se encuentran:
- Short-Time Fourier Transform (STFT)
- Las Wavelet Transform (por ejemplo, la Gabor Transform que
utiliza la
Bruel & Kjaer).
Dentro de las cuadrticas se encuentran:
- Wigner-Ville (WVD)
- Pseudo Wigner-Ville (PWVD)
- Zhao-Atlas-Marks (ZAM)
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ANLISIS TRADICIONAL: ESPECTRO FFT Y FORMA DE LA ONDA
Difcil deducir la naturaleza de las vibraciones
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TRANSFORMADAS TIEMPO-FRECUENCIA TTF
Componente 75 Hz comienza en t=0.2s, alcanza su mximo en
t=0.3s, permanece constante hasta t= 1.1s y desaparece en
t=1.2s
(expansin de las escalas)
-Sirve para analizar vibraciones transientes: Explosiones
motores Diesel,
cierre de vlvulas compresores alternativos, etc.
-Las TTF no han sido an incorporadas a los analizadores de
vibraciones
comerciales (excepto aquellos que realizan diagramas en
cascada).
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Transformadas revolucin ordenes TRO
Las transformadas revolucin rdenes (MR Laboratorio de
vibraciones Mecnicas, Facultad de Ingeniera, Universidad
de Concepcin) son expresiones matemticas que
transforman la seal vibratoria del dominio tiempo al dominio
revolucin ordenes. Ellas consisten en aplicar las TTF no a la
seal en el dominio tiempo como es la manera clsica,
sino que a la seal en el dominio ngulos de rotacin, es
decir esta transformada combina las FFT y el anlisis
espectral en rdenes.
Debe tenerse presente que los resultados obtenidos al
computar la transformada TRO , o el espectro en rdenes
son muy dependientes del algoritmo de calculo utilizado, a
diferencia de cuando se calcula el espectro FFT debido que
para este ltimo existe un procedimiento de clculo
estndar.
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No se puede diagnosticar,
las componentes se
dispersan en el espectro.
Se puede diagnosticar
como si la mquina girara
a velocidad constante
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Desde la TTF no es fcil determinar de cuantas componentes
espectrales est
compuesta la seal medida y, por lo tanto, no
es tan adecuada para el diagnstico cuando en
el espectro existen varias componentes.
En la TRO:
-Se puede ver como la amplitud de las
componentes espectrales han variado durante
el tiempo de medicin.
-Se puede determinar si las componentes
espectrales estuvieron presentes o no durante
todo el tiempo de medicin.
-Se puede determinar el mximo valor
alcanzado por cada componente espectral
(severidad).
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