Introduccin
Introduccin
El propsito de este libro es de servir como texto de referencia
para el ingeniero de mantenimiento y para el tcnico que estn
trabajando con la ms reciente tecnologa de mantenimiento de
maquinaria.
En trminos generales, los temas son los principios de la teora
de vibraciones, y el anlisis de las mismas, aplicadas a la
determinacin de las caractersticas de operacin de las mquinas y sus
deficiencias. El primer captulo pone nfasis en la importancia del
anlisis de vibraciones en el campo de mantenimiento predictvo, y el
anlisis de las razones bsicas de las fallas. Los captulos acerca de
la teora de las vibraciones y del anlisis de frecuencias ponen las
bases para el captulo acerca del diagnstico de fallas en mquinas,
basado sobre medicin y anlisis de vibraciones. Se us un mtodo de
acercamiento sistemtico, para llevar al lector a travs de una serie
de pasos lgicos, para determinar el estado de una mquina, basndose
en un anlisis detallado de las firmas de vibraciones.
Puede ser que algunos trminos que usamos, no son conocidos de
los lectores y por esta razn fu incluido en el ltimo captulo un
glosario completo.
Las palabras que aparecen en negritas en el texto se encuentren
en el glosario.
El autor recibir con gusto comentarios y sugerencias de sus
lectores. Favor de mandar cualquier correspondencia a:Ron Bodre
DLI Engineering Corp.
253 Winslow Way West
Bainbridge Island, WA 98110
206-842-7656
FAX 206-842-7667
www.dliengineering.comExamen de Prcticas de Mantenimiento de las
Mquinas
Presentamos aqu un examen de los programas y tcnicas de
mantenimiento que se practican desde el principio de la dcada de
los noventas en una gran variedad de industrias. La mayora de la
informacin que presentamos fue recopilada de plantas industriales
en tierra, pero tambin es aplicable al mantenimiento de sistemas
mecnicos a bordo de barcos. Aunque el nfasis fue puesto en el
mantenimiento predictivo, tambin se describen y se evalen otras
disciplinas.
Las prcticas de mantenimiento de mquinas cambiaron mucho y han
evolucionado los ltimos 15 aos y es necesario el estudiar ese
desarrollo. Primero conoceremos los propsitos bsicos de cualquier
sistema de mantenimiento:
Temas:
Metas de programas de MantenimientoPanorama HistricoDonde
estamos el Da de Hoy?Metas de programas de Mantenimiento
La meta ms importante de cualquier programa de mantenimiento es
la eliminacin de algn desarreglo de la maquinaria. Muchas veces una
avera grave causar daos serios perifricos a la mquina,
incrementando los costos de reparacin. Una eliminacin completa no
es posible en la prctica en ese momento, pero se le puede acercar
con una atencin sistemtica en el mantenimiento.
El segundo propsito del mantenimiento es de poder anticipar y
planificar con precisin sus requerimientos. Eso quiere decir que se
pueden reducir los inventarios de refacciones y que se puede
eliminar la parte principal del trabajo en tiempo extra.
Las reparaciones a los sistemas mecnicos se pueden planificar de
manera ideal durante los paros programados de la planta.
El tercer propsito es de incrementar la disponibilidad para la
produccin de la planta, por medio de la reduccin importante de la
posibilidad de algn paro durante el funcionamiento de la planta, y
de mantener la capacidad operacional del sistema por medio de la
reduccin del tiempo de inactividad de las mquinas crticas.
Idealmente, las condiciones de operacin de todas las mquinas se
deberan conocer y documentar.
El ltimo propsito del mantenimiento es de permitir al personal
de mantenimiento el trabajar durante horas de trabajo predecibles y
razonables.
Panorama Histrico
Con el propsito de obtener una cierta perspectiva acerca de los
programas de mantenimiento modernos, examinaremos un poco ms de
cerca la historia de las
Prcticas de mantenimiento.
El primero tipo de mantenimiento era de
funcionamiento-hasta-fallar, en donde la mquina funcionaba hasta
que una falla vena a interrumpir el servicio. Eso es obviamiento
una poltica costosa. La mayor parte del costo est representada por
la impredicibilidad del estado de la mquina.
Es sorprendente enterarse de que gran parte del mantenimiento
del da de hoy es de este tipo.
Por fin, la gente de mantenimiento encontraron la idea del
mantenimiento peridico preventivo, en donde las mquinas son
desarmadas y reacondicionadas segn programas regulares. La teora es
que si se reacondicionan las mquinas antes de que se termine su
duracin de vida esperada, no presentarn fallas en servicio. El
mantenimiento preventivo ya existi por mucho tiempo, pero se hizo
mucho ms importante en los aos 1980 como veremos.
En los ltimos 10 aos, el mantenimiento predicitivo se hizo muy
popular. Eso es el mantenimiento en que solamente se va a componer
una mquina cuando se sabe que presenta una falla. No se interfiere
con mquinas que funcionan bien, basndose en la teora: "Si algo no
esta roto, no hay que repararlo"
La innovacin ms reciente en mantenimiento se llama mantenimiento
proactivo, e incluye una tcnica llamada "Anlisis de Causas
Fundamentales de Faltas" en que se busca la causa fundamental de
una falta de la mquina y se la corrige.
Dentro de poco haremos una evaluacin de algunas filosofas de
mantenimiento.
Donde estamos el Dia de Hoy?
En 1991 se hizo una medicin internacional del mantenimiento en
la mayora de plantas industriales. Encontraron que las cuatro
tcnicas de mantenimiento mencionados anteriormente estaban en uso
en unos porcentajes que mencionamos a continuacin:
Ms de la mitad de horas de mantenimiento se usan en el modo
reactivo, realizando reparaciones de emergencia, no
programadas.
Menos del 10% de las horas se usan en mantenimiento
preventivo.
Menos del 40% del mantenimiento es predictivo
Muy poco tiempo se usa en tcnicas pro activas.
Esos nmeros nos demuestran que como deca Thoms Edison, cuando
invent el fongrafo, "a penas hemos rascado la superficie", llevando
prcticas de mantenimiento en el siglo 20.
Tiene sentido que un programa moderno de mantenimiento de mquina
incluya elementos de cualquiera de esas tcnicas, y con el fin de
saber porque, las examinarmos ms en detalle.
Introduccin al Fenmeno Vibracin
Sub-temas:
Que es Vibracin?Anlisis de la Banda de Octavas y de un Tercio de
OctavasEscalas Lineales y Logartmicas de AmplitudQue es
Vibracin?
En su forma ms sencilla, una vibracin se puede considerar como
la oscilacin o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de
una posicin de equilibrio. La posicin de equilibrio es la a la que
llegar cuando la fuerza que acta sobre l sea cero. Este tipo de
vibracin se llama vibracin de cuerpo entero, lo que quiere decir
que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma
direccin en cualquier momento.
El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir
completamente como una combinacin de movimientos individuales de 6
tipos diferentes. Esos son traslaciones en las tres direcciones
ortogonales x, y, y z, y rotaciones alrededor de los ejes x, y, y
z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se
puede descomponer en una combinacin de esos seis movimientos. De un
tal cuerpo se dice que posee seis grados de libertad. Por ejemplo
un barco se puede mover desde adelante hacia atrs ( ondular )desde
abajo hacia arriba ( ) y de babord hacia tribord ( ). Tambin puede
rodar en el sentido de la longitud (rodar), girar alrededor del eje
vertical, (colear) y girar alrededor del eje babor-tribor
(arfar)
Supongamos que a un objeto se le impide el movimiento en
cualquiera direccin excepto una. Por ejemplo un pndulo de un reloj
solamente se puede mover en un plano. Por eso, se le dice que es un
sistema con un grado nico de libertad. Otro ejemplo de un sistema
con un grado nico de libertad es un elevador que se mueve hacia
arriba y hacia abajo en el cubo del elevador.
La vibracin de un objeto es causada por una fuerza de excitacin.
Esta fuerza se puede aplicar externamente al objeto o puede tener
su origen a dentro del objeto. Mas adelante veremos que la
proporcin (frecuencia) y la magnitud de la vibracin de un objeto
dado, estn completamente determinados por la fuerza de excitacin,
su direccin y frecuencia. Esa es la razn porque un anlisis
de vibracin puede determinar las fuerzas de excitacin actuando
en una mquina. Esas fuerzas dependen del estado de la mquina, y el
conocimiento de sus caractersticas e interacciones permite de
diagnosticar un problema de la mquina.
Sub-tema:
Movimiento Armnico SencilloEcuaciones de movimientoDinmica de
Sistemas MecnicosMedicin de Amplitud de VibracinEl Concepto de
FaseUnidades de VibracinResmen de Unidades de
AmplitudDesplazamiento, Velocidad y AceleracinVibracin
ComplejaConsideraciones acerca de la Energa y la FuerzaEstructuras
MecnicasFrecuencias NaturalesResonanciaSistemas Lineales y No
LinealesDefinicin de linealidad.No linealidades en SistemasNo
linealidades en Mquinas rotativasAnlisis de FrecuenciaPorque llevar
a cabo un Anlisis de Frecuencia?Como hacer un Anlisis de
FrecuenciaEjemplos de algunas Ondas y sus EspectrosEfectos de
ModulacinPulsos Movimiento Armnico Sencillo
El movimiento ms sencillo que pueda existir es el movimiento en
una direccin , de una masa controlada por un resorte nico. Este
sistema mecnico se llama sistema resorte-masa, con un grado nico de
libertad. Si se desplaza la masa, hasta una cierta distancia del
punto de equilibrio, y despus se suelta, el resorte la regresar al
equilibrio. Para entonces, la masa tendr algo de energa cintica y
rebasar la posicin de descanso y desviar el resorte en la direccin
opuesta. Perder velocidad hasta pararse en el otro extremo de su
desplazamiento donde el resorte volver a empezar el regreso hacia
su punto de equilibrio. El mismo proceso se volver a repetir con la
energa transfiriendose entre la masa y el resorte, desde energa
cintica en la masa hasta energa potencial en el resorte, y
regresando. La ilustracin siguiente ensea una grfica de la masa
contra el tiempo:
Si no hubiera friccin en el sistema, la oscilacin continuara en
la misma proporcin y en la misma amplitud para siempre. Este
movimiento armnico sencillo idealizado, casi nunca se encuentra en
sistemas mecnicos reales. Cualquier sistema real tiene friccin y
eso hace que la amplitud de la vibracin disminuya gradualmente ya
que la energa se convierte en calor.
Las definiciones siguientes son aplicables al movimiento armnico
sencillo:
T=el periodo de la onda
El periodo es el tiempo necesario para un ciclo, o para un viaje
ida y vuelta, o de un cruce del nivel cero hasta el siguiente cruce
del nivel cero en la misma direccin. El periodo se mide en segundos
o milisegundos dependiendo de que tan rpido se cambie la onda.
F=la frecuencia de la onda = 1/T
La unidad de frecuencia es el Hz, llamada por el cientfico
alemn, Heinrich Herz, que fue el primero a investigar las ondas
radio.La frecuencia es el nmero de ciclos que ocurren en un
segundo, y sencillamente es el recproco del perodo.
Ecuaciones de movimiento
Si se anota la posicin o el desplazamiento de un objeto que est
sometido a un movimiento armnico sencillo contra el tiempo en una
grfica, como lo mostramos arriba, la curva resultante ser una onda
seno o senoidal que se describe en la siguiente ecuacin:
donde d = desplazamiento instantneo
D = desplazamiento mximo o pico
t = tiempo
Esta es la misma curva que la de una funcin senoidal
trigonomtrica, y se puede considerar como la ms sencilla y bsica de
todas las formas repetitivas de ondas. La funcin senoidal matemtica
se deriva de las longitudes relativas de los lados de un tringulo
rectangular y la onda senoidal es una anotacin del valor de la
funcin senoidal contra el ngulo. En el caso de vibracin, la onda
senoidal se anota como una funcin de tiempo pero a veces, se
considera que un ciclo de la onda es igual a 360 grados de ngulo.
Se comentar ms a cerca de este sujeto cuando trataremos el tema
fase. La velocidad del movimiento que describimos arriba es igual a
la proporcin del cambio del desplazamiento, o en otras palabras a
que tan rpido se cambia su posicin. La razn de cambio de una
cantidad respecto a otra se puede describir con la derivada
siguiente:
donde v = velocidad instantnea
aqu se puede ver que la forma de la funcin de velocidad tambin
es senoidal, pero ya que est descrita por el cseno, est desplazado
de 90 grados. En un momento veremos lo que eso significa.
La aceleracin del movimiento que aqu se describe est definida
como la proporcin de cambio de la velocidad, o que tan rpido la
velocidad est cambiando en cualquier momento.
donde a= aceleracin instantnea.
Tambin aqu hay que notar que la funcin de aceleracin fu
desplazada por 90 grados adicionales como lo indica el signo
negativo.
Si examinamos estas ecuaciones, se ve que la velocidad es
proporcional al desplazamiento por la frecuencia, y que la
aceleracin es proporcional al cuadrado de la frecuencia por el
desplazamiento. Eso quiere decir que con un gran desplazamiento y a
una alta frecuencia, resultan velocidades muy altas, y se
requeriran niveles de aceleracin extremadamente altos. Por ejemplo,
supongamos que un objeto vibrando est sometido a un desplazamiento
de 0. 1 pulgada a 100 Hz. La velocidad es igual a desplazamiento
por frecuencia , o:
v = 0. 1 x 100 = 10 pulgadas por segundo.
La aceleracin es igual a desplazamiento por el cuadrado de la
frecuencia, o:
a = 0. 1 x (100) = 1000 pulgadas por segundo.
Un G de aceleracin es igual a 386 pulgadas por segundo, por eso
la aceleracin es:
Vemos ahora lo que pasa cuando subimos la frecuencia a 1000
Hz:
v = 0. 1 x 1000 = 100 pulgadas por segundo
a = 0. 1 x ( 1000) = 100. 000 pulgadas por seg o 259 G
As vemos que en la prctica las altas frecuencias no se pueden
asociar con altos niveles de desplazamiento.
Dinmica de Sistemas Mecnicos
Una estructura fsica pequea y compacta como el mrmol se puede
imaginar como solamente una masa. Se mover en respuesta a una
fuerza externa que se aplica a ella, y su movimiento ser gobernado
por las leyes de movimiento de Newton. En trminos sencillos, las
leyes de Newton dicen que si el mrmol est en reposo, se quedar en
reposo, a menos que una fuerza externa actu sobre el.
Si est sometido a una fuerza externa, su aceleracin ser
proporcional a esa fuerza.
La mayora de los sistemas mecnicos son ms complejos que una masa
sencilla , ya que necesariamente se mueven como un entero, cuando
son sometidos a una fuerza. Sistemas mecnicos como mquinas
rotativas no tienen una rigidez infinita y tienen varios grados de
flexibilidad a varias frecuencias. Como lo veremos, su movimiento
en respuesta a una fuerza externa depende de la naturaleza de esta
fuerza, y las caractersticas dinmicas de su estructura mecnica y
muchas veces es muy difcil predecirlas. Las disciplinas de
Modelacin Finita de Elementos y Anlisis Modal, se dedican a
predecir como una estructura reaccionar a una fuerza conocida. No
trataremos ms en detalle esas materias ya que son muy complejas,
pero es instructivo estudiar la manera como interactan fuerzas y
estructuras si es que queremos entender el aspecto til del anlisis
de vibraciones en maquinaria.
Medicin de Amplitud de Vibracin
Las definiciones siguientes son de aplicacin a la medicin de la
amplitud de las vibraciones mecnicas.
Amplitud Pico (Pk) es la distancia mxima de la onda del punto
cero o del punto de equilibrio.
Amplitud Pico a Pico (Pk-Pk) es la distancia de una cresta
negativa hasta una cresta positiva. En el caso de una onda
senoidal, el valor pico a pico es exactamente dos veces el valor
pico, ya que la forma de la onda es simtrica. Pero eso no es
necesariamente el caso con todas las formas de ondas de vibracin,
como lo veremos dentro de poco.
Amplitud Raz del Promedio de los Cuadrados (RPC)Es la raz
cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda.
En el caso de una onda senoidal el valor RPC es igual a 0. 707 del
valor pico, pero esto es solo vlido en el caso de una onda
senoidal. El valor RPC es proporcional al rea abajo de la curva. Si
se rectifica a a los picos negativos, eso quiere decir si se les
hace positivos, y el rea abajo de la curva resultante est
promediado hasta
un nivel medio este nivel es proporcional al valor RPC.
Promedio de Amplitud Es sencillamente el promedio aritmtico del
nivel de la seal sobre tiempo. No se usa en la medicin de vibracin
y de aqu en adelante ya no ser considerada. El valor RPC de una
seal de vibracin es una medida importante de su amplitud . Como lo
mencionamos con anterioridad, es numricamente igual a la raz
cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de amplitud.
Para calcular este valor, los valores instantneos de amplitud de la
onda se deben elevar al cuadrado y esos cuadrados se deben
promediar durante un cierto tiempo. Este tiempo debe ser por lo
menos un perodo de la onda para llegar al valor RPC.
El valor RPC debe usarse en todos los clculos acerca de fuerza o
energa en forma de onda. Un ejemplo de eso es la lnea de corriente
117 Voltios CA. Los 117 Voltios es el valor RPC del voltaje y se
usa en los clculos de la energa batimtrica (fuerza), que jala las
mquinas conectadas. Hay que recordar que el valor RPC de una onda
senoidal es 0. 707 veces el valor pico y que esa es la nica forma
de onda donde este es vlido. Veremos dentro de poco porque esto es
importante.
El Concepto de Fase
Fase es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas
senoidales. Aunque la fase es una diferencia verdadera de tiempo,
siempre se mide en trminos de ngulo, en grados o radianes. Eso es
una normalizacin del tiempo que requiere un ciclo de la onda sin
considerar su verdadero periodo de tiempo.
La diferencia en fase entre dos formas de onda se llama a veces
el desplazamiento de fase. Un desplazamiento de fase de 360 grados
es un retraso de un ciclo o de un periodo de la onda, lo que
realmente no es ningn desplazamiento. Un desplazamiento de 90
grados es un desplazamiento de 1/4 del periodo de la onda etc. El
desplazamiento de fase puede ser considerado positivo o negativo;
eso quiere decir que una forma de onda puede ser retrasada relativa
a otra o una forma de onda puede ser avanzada relativa a otra. Esos
fenmenos se llaman atraso de fase y avance de fase
respectivamente.
En este ejemplo, la curva inferior est desplazada de 90 grados
con respecto a la curva superior. Eso es un atraso de tiempo de 1/4
del perodo de la onda. Tambin se podra decir que la curva superior
tiene un avance de 90 grados.
La fase tambin se puede medir con referencia a un tiempo
particular. Un ejemplo de esto es la fase de un componente
desbalanceado en un rotor, con referencia a un punto fijo en el
rotor, como una conexin. Para medir la fase, un impulso disparador
debe ser generado desde un cierto punto de referencia, en la
flecha. Este disparador puede ser generado por un tacmetro o por
una clase de sonda ptica o magntica, que sentir una discontinuidad
en el rotor y a veces est llamada un impulso "taco".
El ngulo de fase se puede medir desde la posicin de referencia o
bien en la direccin de la rotacin, o bien en la direccin opuesta a
la rotacin, eso es atraso de fase o avance de fase. , y varios
fabricantes de mquinas usan diferentes convenciones. En el programa
DLI Balance Alert, se puede seleccionar ambas direcciones, segn la
preferencia del operador.
Unidades de Vibracin
Hasta ahora, solamente hemos considerado el desplazamiento de un
objeto vibrando como una medida de la amplitud de su vibracin. El
desplazamiento es sencillamente la distancia desde una posicin de
referencia. , o punto de equilibrio. Aparte de un desplazamiento
variable, un objeto vibrando tendr una velocidad variable y una
aceleracin variable. La velocidad se define como la proporcin de
cambio en el desplazamiento y en el sistema ingls, se mide por lo
general en pulgadas por segundo (PPS). Aceleracin se define como la
proporcin de cambio en la velocidad y en el sistema ingls se mide
en unidades G , o sea la aceleracin promedia debida a la gravedad
en la superficie de la tierra.
El desplazamiento de un cuerpo , que est sujeto a un movimiento
sencillo armnico es una onda senoidal, como hemos visto. Tambin
resulta (y se puede comprobar fcilmente matemticamente) que la
velocidad del movimiento es senoidal. Cuando el desplazamiento est
a su mximo, la velocidad estar cero, porque esa es la posicin en la
que la direccin del movimiento se da la vuelta. Cuando el
desplazamiento est cero(el punto de equilibrio), la velocidad estar
en su mximo. Esto quiere decir que la fase de la onda de velocidad
se desplazar hacia la izquierda a 90 grados, comparada a la forma
de onda del desplazamiento. En otras palabras, se dice que la
velocidad tiene un avance sobre el desplazamiento de un ngulo de 90
grados fase.
Si nos recordamos que la aceleracin es la proporcin del cambio
de velocidad, se puede demostrar que la forma de onda de aceleracin
de un objeto sujeto a un movimiento sencillo armnico, tambin es
senoidal y tambin que cuando la velocidad est en su mximo, la
aceleracin es cero. En otras palabras, la velocidad no se est
cambiando en este momento. Cuando la velocidad es cero, la
aceleracin est en su mximo--en este momento la velocidad est
cambiando lo ms rpido. La curva senoidal de la aceleracin contra
tiempo se puede ver de esta manera como desplazada en fase hacia la
izquierda de la curva de velocidad y por eso la aceleracin tiene un
avance de 90 grados sobre la velocidad.
Las relaciones se ensean a continuacin:
Ntense que la aceleracin es 180 grados fuera de fase en relacin
al desplazamiento. Esto quiere decir que la aceleracin de un objeto
vibrando siempre estar en la direccin opuesta al
desplazamiento.
Es posible definir otro parmetro , que es la proporcin de cambio
de la aceleracin, y se llama jaln. Jaln es lo que se siente, cuando
se para su carro, si se mantiene una presin constante en el pedal
del freno. Realmente es la terminacin brusca de la aceleracin. Los
constructores de elevadores les interesa la medicin del jaln, ya
que los pasajeros de elevadores son especialmente sensibles a las
variaciones de aceleracin.
Resmen de Unidades de Amplitud
En el sistema ingls de medicin, el desplazamiento se mide
generalmente en mils (milsimos de pulgada), y el valor pico a pico
se usa por convencin.
La velocidad generalmente se mide en pulgadas por segundo y la
convencin es de usar el valor pico o el valor RPC. Lo mas comn es
de usar el valor pico, no porque sea mejor, pero debida a una larga
tradicin.
La aceleracin se mide generalmente en Gs. 1 G es la aceleracin
debida a la gravedad en la superficie de la tierra. El G en
realidad no es una unidad de aceleracin--es sencillamente una
cantidad de aceleracin a que estamos sometidos como habitantes de
la tierra.
A veces la aceleracin se mide en pulgadas por segundo por
segundo (pulgadas/seg) o m/seg , que son unidades verdaderas. Un G
es igual a 386 pulgadas / seg o 9. 81 m/seg.
El procedimiento de convertir una seal de desplazamiento hacia
velocidad o de velocidad hacia aceleracin es equivalente a la
operacin matemtica de diferenciacin
Del modo contrario, la conversin de aceleracin a velocidad o de
velocidad a desplazamiento es la integracin matemtica. Es posible
llevar a cabo estas operaciones con instrumentos que miden la
vibracin y de esta manera convertir los datos de cualquier sistema
de unidades a cualquier otro. Desde un punto de vista prctico la
diferenciacin es un procedimiento ruidoso en si, y muy raras veces
se lleva a cabo. La integracin, por otra parte se lleva a cabo con
mucha precisin, con un circuito elctrico muy barato. Esa es una de
las razones de que el acelermetro de hecho es el transductor
Standard para medicin de vibraciones, ya que su seal de salida se
puede integrar fcilmente una o dos veces para mostrar velocidad o
desplazamiento.
La integracin no es adecuada para seales con una frecuencia muy
baja (Abajo de 1 Hz), ya que en esta rea el nivel de ruido se va
incrementando y la precisin del procedimiento de integracin
padece.
La mayora de los integradores disponibles comercialmente
funcionan correctamente arriba de un Hz, lo que es lo suficiente
bajo para casi todas las aplicaciones de vibraciones.
Desplazamiento, Velocidad y Aceleracin
Una seal de vibracin grabada como desplazamiento contra
frecuencia se puede convertir en una grfica de velocidad contra
frecuencia por el procedimiento de diferenciacin como lo definimos
con anterioridad.
Eso quiere decir que una grfica de la velocidad devibracin tendr
un perfil escarpado hacia arribasegn se incrementa la frecuencia,
en comparacincon la misma seal grabado como desplazamiento.La
diferenciacin involucra una multiplicacin por la frecuencia, y eso
quiere decir que la velocidad de la vibracin a cualquier frecuencia
es proporcional al desplazamiento multiplicado por la
frecuencia.
Para un desplazamiento dado, si se duplica la frecuencia, tambin
se duplicar la velocidad, y si se incrementa la frecuencia diez
veces, la velocidad tambin se incrementar con un factor de
diez.
Para obtener aceleracin desde velocidad, se requiere otra
diferenciacin, y eso resulta en otra multiplicacin por la
frecuencia. El resultado es que por un desplazamiento dado, la
aceleracin es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Eso quiere
decir que la curva de aceleracin est dos veces ms empinada que la
curva de velocidad.
Para ilustrar esas relaciones, consideramos que tan fcil es
mover la mano sobre una distancia de un pie (33 cm.) a un ciclo por
segundo o 1 Hz. Probablemente seria posible lograr un
desplazamiento similar de la mano a 5 o a 6 Hz. Pero consideramos
que tan rpido su mano se debera mover para lograr el mismo
desplazamiento de un pie a 100Hz o 1000 Hz!
. La segunda ley de movimiento de Newton dice que la fuerza es
igual a la masa por la aceleracinAhora vemos la enorme fuerza
necesaria para mover su mano un pie a esas altas frecuencias. Segn
Newton, fuerza es igual a masa por aceleracin, y por eso la fuerza
se incrementa segn el cuadrado de la frecuencia. aqu est la razn
del porque nunca se ven niveles de aceleracin altos combinados con
valores de desplazamientos altos. Las fuerzas enormes que seran
necesarias sencillamente no se encuentran en la prctica.
Se puede ver que esas consideraciones con los mismos datos de
vibracin representados como grficas de desplazamiento, velocidad y
aceleracin tendrn apariencias diferentes. La curva de
desplazamiento pondr el acento en las frecuencias mas bajas, y la
curva de aceleracin pondr el acento en las frecuencias ms altas, a
costo de las ms bajas.
Los niveles relativos de desplazamiento, velocidad y aceleracin
contra frecuencia en unidades estndares inglesas se observan en las
ecuaciones siguientes:
Estas tres curvas que se muestran arriba, proporcionan la misma
informacin, pero el acento se ha cambiado. Noten que la curva de
desplazamiento es ms difcil de leer en las frecuencias ms altas. La
curva de velocidad es la ms uniforme en nivel sobre frecuencia. Eso
es tpico para la mayora de la maquinaria rotativa pero en algunos
casos, las curvas de desplazamiento y aceleracin sern las ms
uniformes. Es una buena idea seleccionar las unidades de tal manera
que se obtenga la curva la ms plana. Eso proporciona la mayor
cantidad de informacin visual al observador. El parmetro de
vibracin que se usa ms comnmente en trabajos de diagnstico de
maquinaria es la velocidad.
Consideraciones acerca de la Energa y la Fuerza
Para producir vibracin, se requiere energa, y en el caso de
vibracin de mquina, esa energa viene de la fuente de poder hacia la
mquina. La fuente de energa puede ser la lnea de corriente CA, un
motor a combustin interna, vapor accionando una turbina etc.
Energa se define como fuerza multiplicada por la distancia sobre
la que la fuerza acta, y la unidad internacional de energa es el
Julio. Un Julio de energa es el equivalente de un Newton de fuerza
actuando sobre una distancia de un metro. El concepto fsico de
trabajo es similar a el de energa, y las unidades que se usan para
medir el trabajo son las mismas que se usan para medir la
energa.
La cantidad de energa presente en la vibracin de la mquina misma
por lo general no es tan grande comparada a la energa requerida
para activar la mquina para su tarea asignada.
Fuerza se defina como la proporcin con que se hace el trabajo, o
la proporcin de transferencia de energa. Segn las normas
internacionales se mide en Julios por segundo o Vatios. Un caballo
vapor es equivalente a 746 Vatios. La fuerza es proporcional al
cuadrado de la amplitud de la vibracin. , igual como la fuerza
elctrica es proporcional al cuadrado del voltaje o al cuadrado de
la corriente.
Segn la ley de la conservacin de energa no se puede crear ni
destruir energa, pero se puede cambiar en formas diferentes. La
energa vibratoria en un sistema mecnico se disipar al final en
forma de calor.
Estructuras Mecnicas
Cuando analizamos la vibracin de una mquina, que es un sistema
mecnico ms o menos complejo es til considerar las fuentes de la
energa de vibracin y las rutas en la mquina que sigue esta energa.
Energa siempre se mueve o fluye de la fuente de la vibracin hacia
el punto de absorcin, donde se transforma en calor. En algunos
casos eso puede ser una ruta muy corta, pero en otras situaciones
es posible que la energa viaje largas distancias antes de ser
absorbida.
La ms grande absorbadora de energa es la friccin, que puede ser
friccin deslizadora o friccin viscosa. La friccin deslizadora tiene
su origen en el movimiento relativo de las partes de la mquina, y
un ejemplo de friccin viscosa es la pelcula de aceite en un
rodamiento con gorrn. Si una mquina tiene poca friccin, su nivel de
vibracin tiende a ser muy alto, ya que la energa de vibracin se va
incrementando debido a la falta de absorcin. Por otra parte, una
mquina con una friccin ms importante tendr niveles de vibracin ms
bajos, ya que su energa se absorbe ms rpidamente. Por ejemplo, una
mquina con rodamientos a elementos rodantes (muchas veces se le
llama rodamientos anti-friccin) vibra ms que una mquina con
chumaceras, donde la pelcula de aceite absorba una cantidad
importante de energa. La razn porque las estructuras de aviones son
remachadas en lugar de soldadas en una unidad slida, es que las
juntas remachadas se mueven ligeramente y absorben la energa por
medio de la friccin deslizadora. Eso impide que las vibraciones se
incrementen hasta niveles destructivos. De una estructura de este
tipo se dice que est altamente amortiguada y la amortiguacin es en
realidad una medida de su capacidad de absorcin de energa.
Frecuencias Naturales
De cualquier estructura fsica se puede hacer un modelo en forma
de un nmero de resortes , masas y amortiguadores. Los
amortiguadores absorben la energa pero los resortes y las masas no
lo hacen. Como lo vimos en la seccin anterior, un resorte y una
masa interactan uno con otro, de manera que forman un sistema que
hace resonancia a su frecuencia natural caracterstica. Si se le
aplica energa a un sistema resorte-masa, el sistema vibrar a su
frecuencia natural, y el nivel de las vibraciones depender de la
fuerza de la fuente de energa y de la absorcin inherente al
sistema. . La frecuencia natural de un sistema resorte-masa no
amortiguado se d en la siguiente ecuacin:
donde Fn = la frecuencia natural
k = la constante del resorte , o rigidez
m = la masa
De eso se puede ver que si la rigidez aumenta, la frecuencia
natural tambin aumentar, y si la masa aumenta, la frecuencia
natural disminuye. Si el sistema tiene absorcin, lo que tienen
todos los sistemas fsicos, su frecuencia natural es un poco ms baja
y depende de la cantidad de absorcin.
Un gran nmero de sistemas resorte-masa-amortiguacin que forman
un sistema mecnico se llaman "grados de libertad", y la energa de
vibracin que se pone en la mquina, se distribuir entre los grados
de libertad en cantidades que dependern de sus frecuencias
naturales y de la amortiguacin, as como de la frecuencia de la
fuente de energa.
Por esta razn, la vibracin no se va a distribuir de manera
uniforme en la mquina. Por ejemplo, en una mquina activada por un
motor elctrico una fuente mayor de energa de vibracin es el
desbalanceo residual del rotor del motor. Esto resultar en una
vibracin medible en los rodamientos del motor. Pero si la mquina
tiene un grado de libertad con una frecuencia natural cerca de las
RPM del rotor, su nivel de vibraciones puede ser muy alto, aunque
puede estar ubicado a una gran distancia del motor. Es importante
tener este hecho en mente, cuando se hace la evaluacin de la
vibracin de una mquina. --la ubicacin del nivel de vibracin mximo
no puede estar cerca de la fuente de energa de vibracin. La energa
de vibracin frecuentemente se mueve por largas distancias por
tuberas, y puede ser destructiva, cuando encuentra una estructura
remota con una frecuencia natural cerca de la de su fuente.
Resonancia
Ejemplos de sistemas mecnicos con alta resonancia son campanas y
diapasones. La resonancia es un estado de operacin en el que una
frecuencia de excitacin se encuentra cerca de una frecuencia
natural de la estructura de la mquina. Una frecuencia natural es
una frecuencia a la que una estructura vibrar si uno la desva y
despus la suelta. Una estructura tpica tendr muchas frecuencias
naturales. Cuando ocurre la resonancia, los niveles de vibracin que
resultan pueden ser muy altos y pueden causar daos muy
rpidamente.
Bajo ninguna circunstancia se debe opera una mquina a la
frecuencia de resonancia !En una mquina que produce un espectro
ancho de energa de vibracin, la resonancia se podr ver en el
espectro, como un pico constante aunque vari la velocidad de la
mquina. El pico puede ser agdo o puede ser ancho, dependiendo de la
cantidad de amortiguacin que tenga la estructura en la frecuencia
en cuestin.
Para determinar si una maquina tiene resonancias prominentes se
puede llevar a cabo una o varias pruebas con el fin de
encontrarlas:
La prueba del Impacto. Se pega a la mquina con una masa pesada,
como una viga de madera, de cuatro por cuatro, o el pie -con bota-
de un jugador de ftbol, mientras que se graban los datos. Si hay
una resonancia, la vibracin de la mquina ocurrir a la frecuencia
natural, mientras que ella se est extinguiendo.
El arranque y rodamiento libre. Se prende y se apaga la mquina,
mientras que se graban datos de vibracin y de tacmetro. La forma de
onda de tiempo indicar un mximo, cundo las RPM igualan las
frecuencias naturales.
La prueba de la velocidad variable:en una mquina cuya velocidad
se puede variar en un rango ancho, se vara la velocidad, mientras
que se estn grabando datos de vibracin y de tacmetro. La
interpretacin de los datos se hace como en la prueba anterior.
La grfica abajo muestra una curva de respuesta idealizada de
resonancia mecnica. El comportamiento de un sistema resonante,
cuando se le somete a una fuerza externa, es interesante y va un
poco en contra la intuicin. Depende mucho de la frecuencia de la
fuerza de excitacin. Si la frecuencia forzada es ms baja que la
frecuencia natural, -en otras palabras a la izquierda del pico,
entonces el sistema se comporta como un resorte y el desplazamiento
est proporcional a la fuerza. El resorte de la combinacin
resorte-masa hace el sistema resonante y est dominante al
determinar la respuesta del sistema. En esta rea, controlada por el
resorte, el sistema se comporta de acuerdo con nuestra intuicin,
reaccionando con un movimiento ms amplio cuando se le aplica una
fuerza ms grande, y el movimiento est en fase con la fuerza.
En el rea arriba de la frecuencia natural, la situacin es
diferente. aqu la masa es el elemento que controla. El sistema
parece una masa a la que se le aplica una fuerza. Eso quiere decir
que la aceleracin es proporcional a la fuerza aplicada y el
desplazamiento es relativamente constante con la frecuencia que
cambia. El desplazamiento est fuera de fase en esta rea con la
fuerza.
Cuando se empuja al sistema, este se mueve hacia el que est
empujando y vice versa.
A la resonancia misma, el sistema se comporta totalmente
diferente en presencia de una fuerza aplicada. aqu, los elementos
resorte y masa se cancelan el uno al otro, y la fuerza solamente ve
la amortiguacin o la friccin en el sistema. Si el sistema est
ligeramente amortiguado es como si se empuja al aire. Cuando se le
empuja, se aleja de su propia voluntad. En consecuencia, no se
puede aplicar mucha fuerza al sistema en la frecuencia de
resonancia, y si uno sigue intentndolo, la amplitud de la vibracin
se va a incrementar hasta valores muy altos. Es la amortiguacin que
controla el movimiento de un sistema resonante a su frecuencia
natural.
Ejemplos de resonancias en mquinas son las llamadas frecuencias
crticas de flechas rotativas,
El ngulo de fase entre la vibracin de la fuente de excitacin y
la respuesta de la estructura siempre es de 90 grados a la
frecuencia natural.
En el caso de rotores largos, como en turbinas, las frecuencias
naturales se llaman "frecuencias crticas" o "velocidades crticas" y
se debe cuidar que estas mquinas no operen a velocidades donde 1x o
2x corresponde a esas frecuencias crticas.
Sistemas Lineales y No Lineales
Para ayudar a entender la transmisin de vibracin a travs de una
mquina es conveniente investigar el concepto de linealidad y lo que
significa sistemas lineales y no lineales. Dentro de poco,
estudiaremos escalas de amplitud y de frecuencia lineales y
logartmicos, pero el trmino "lineal" tambin se refiere a las
caractersticas de un sistema que puede tener seales de entrada y de
salida. Un sistema es cualquier aparato o estructura que puede
aceptar una seal de entrada o estimulo en alguna forma y producir
una seal de salida o respuesta. Ejemplos de sistemas son grabadoras
y amplificadoras, que funcionan con seales elctricas y estructuras
mecnicas en las que las seales de entrada son fuerzas de vibracin y
las seales de salida son desplazamientos, velocidades y
aceleraciones de vibraciones.
Sistemas Lineales y No Lineales
Para ayudar a entender la transmisin de vibracin a travs de una
mquina es conveniente investigar el concepto de linealidad y lo que
significa sistemas lineales y no lineales. Dentro de poco,
estudiaremos escalas de amplitud y de frecuencia lineales y
logartmicos, pero el trmino "lineal" tambin se refiere a las
caractersticas de un sistema que puede tener seales de entrada y de
salida. Un sistema es cualquier aparato o estructura que puede
aceptar una seal de entrada o estimulo en alguna forma y producir
una seal de salida o respuesta. Ejemplos de sistemas son grabadoras
y amplificadoras, que funcionan con seales elctricas y estructuras
mecnicas en las que las seales de entrada son fuerzas de vibracin y
las seales de salida son desplazamientos, velocidades y
aceleraciones de vibraciones.
No linealidades en Sistemas
La linealidad con absoluta perfeccin no existe en ningn sistema
real. Hay muchos tipos diferentes de no linealidad y existen en
varios grados en todos los sistemas mecnicos, aunque muchos
sistemas actuales se acercan a un comportamiento lineal,
especialmente con niveles de entrada pequeos. Si un sistema no es
lineal, producir frecuencias en su salida, que no existen en su
entrada. Un ejemplo es un amplificador estereo o una grabadora que
produce armnicos de su seal de entrada.
Esto se llama distorsin armnica y disminuye la calidad de la
msica reproducida. La distorsin armnica casi siempre es peor con
seales de niveles altos. Un ejemplo es una radio pequea que suena
relativamente "limpia"a nivel de volumen bajo, pero chilla de
manera distorsionada a niveles de volumen altos.
Muchos sistemas son casi lineales en respuesta a entradas
pequeas, pero se vuelven no lineales a niveles de excitacin
superiores. A veces existe un umbral definido. Las seales de
entrada, ligeramente superiores a este umbral resultan no lineales
en una gran proporcin. Un ejemplo de este es el corte de un
amplificador cuando el nivel de su seal de entrada excede el
voltaje o la capacidad de oscilacin de su suministro de energa.
Este es anlogo a un sistema mecnico donde una parte se puede mover
libremente hasta que pega con un tope, como un carter de rodamiento
flojo, que se puede mover un poco antes de que le paran los pernos
de montaje.
No linealidades en Mquinas rotativas
Como lo vimos, la vibracin de una mquina es su respuesta a
fuerzas causadas por sus partes movindose en la mquina. Medimos la
vibracin en varios lugares en la mquina y de estas mediciones
deducimos la magnitud de las fuerzas. Midiendo la frecuencia de la
vibracin suponemos que las fuerzas se presentan a la misma
frecuencia que la respuesta, y que los niveles medidos son
proporcionales a la magnitud de las fuerzas. Este razonamiento
supone que la mquina es lineal. en su respuesta a las funciones
forzadas, y para la mayora de las mquinas eso es una suposicin
razonable.
Pero a medida que se desgasta una mquina, y que aumentan los
juegos , o si se forman grietas o holgura, la respuesta ya no
seguir siendo lineal. El resultado es que la vibracin medida puede
ser muy diferente que las funciones forzadas. Por ejemplo un rotor
desbalanceado comunica una fuerza senoidal en la frecuencia 1x al
rodamiento, y esta fuerza no contiene ninguna otra frecuencia. Si
la estructura mecnica de la mquina est no lineal esta fuerza
senoidal ser distorsionada y la vibracin resultante ocurrir en los
armnicos de 1x y tambin en 1x. El rango y la magnitud del contenido
armnico de la vibracin es una medida del grado de no linealidad de
la mquina.
Por ejemplo la vibracin de un rodamiento con gorrn contendr
cantidades y magnitudes de armnicos ms y ms grandes, a medida de
que el juego en el rodamiento va aumentando.
Acoplamientos flexibles son no lineales, cuando son desalineados
y esto es la razn que su firma de vibracin contiene un fuerte
segundo armnico de 1x. Muchas veces, acoplamientos desgastados y
desalineados producen un fuerte tercer armnico de 1x. Cuando las
fuerzas que actan en frecuencias diferentes interactan de una
manera no lineal, en una mquina, el resultado es la generacin de
frecuencias de suma y de diferencias-nuevas frecuencias que no estn
presentes en las frecuencias forzadas. Esas frecuencias de suma y
de diferencia son las bandas laterales que se encuentran en los
espectros de cajas de engranes defectuosas, rodamientos con
elementos rodantes, etc. En el caso de una caja de engranes una
frecuencia forzada es el engranaje y la otra son las rpm del
engrane. Si el engrane est excntrico, o deformado de otra manera,
las rpm causarn una modulacin del engranaje y el resultado sern las
bandas laterales. La modulacin siempre es un proceso no lineal que
crea nuevas frecuencias que no existen en la funciones
forzadas.
Anlisis de Frecuencia
Para circunvalar las limitaciones del anlisis de la forma de
onda, la prctica ms comn es de llevar a cabo un anlisis de
frecuencias, tambin llamado anlisis de espectro de la seal de
vibracin. La grfica en el dominio del tiempo se llama la forma de
onda, y la grfica en el dominio de la frecuencia se llama el
espectro. . El anlisis del espectro es equivalente al transformar
la informacin de la seal del dominio de tiempo en el dominio de la
frecuencia.
Las relaciones siguientes son vlidas entre tiempo y
frecuencia:
Un horario de ferrocarril nos ensea la equivalencia de la
informacin en los dominios de tiempo y de frecuencia.
La representacin de la frecuencia en este caso es ms breve que
la representacin del tiempo. Eso es una reduccin de datos.
Noten que la informacin es la misma en ambos dominios, pero que
en el dominio de frecuencia est mucho mas compacto. Un horario muy
largo ha sido compactado en dos renglones en el dominio de
frecuencia. Es una regla general de la caracterstica de la
transformacin que los eventos que ocurren en un tiempo largo sean
comprimidos a sus lugares especficos en el dominio de
frecuencia.
Porque llevar a cabo un Anlisis de Frecuencia?
En el dibujo de abajo observen que los diferentes componentes
son separados y distintos en el espectro y que sus niveles pueden
ser fcilmente identificados. Seria difcil de extraer esta
informacin de la forma de onda en el dominio de tiempo.
Dominio de Tiempo vs. Dominio de Frecuencia
Se ha argumentado que la razn para el uso generalizado del
anlisis de frecuencia es la gran disponibilidad del analizador TRF
barato!En el dibujo siguiente, vemos que algunos eventos que se
traslapan y que son confusos en el dominio de tiempo estn separados
en sus componentes individuales en el dominio de la frecuencia. La
forma de la onda de vibracin contiene una gran cantidad de
informacin que no es aparente. Parte de la informacin est en las
componentes de nivel muy bajo, la magnitud de los que puede ser
menos ancho que la lnea de la grfica, de la forma de onda. Pero
estos componentes de bajo nivel pueden ser importantes, si son una
indicacin de un problema que est creciendo, como una falta en un
rodamiento. La esencia del mantenimiento predictivo es la deteccin
temprana de faltas incipientes. Por eso hay que ser sensible a
valores muy pequeos de seales de vibracin como lo veremos dentro de
poco.
Por otra parte, hay circunstancias, donde la forma de onda nos
proporciona ms informacin que el espectro.
Como hacer un Anlisis de Frecuencia
Antes de investigar el procedimiento de la realizacin de anlisis
de espectro vamos a estudiar los diferentes tipos de seales con que
vamos a trabajar.
Desde un punto de vista terico y prctico es posible dividir
todas las seales del dominio del tiempo en varios grupos. Estas
seales diferentes producen diferentes tipos de espectros, y para
evitar errores cuando llevamos a cabo el anlisis de frecuencias, es
conveniente conocer sus caractersticas.
En el dibujo siguiente un componente de muy bajo nivel
representa una falla incipiente en un rodamiento, y no se hubiera
notado en el dominio de tiempo o en el nivel general de vibracin.
Recuerden que el nivel general es sencillamente el nivel RPC de la
forma de la onda en un rango largo de frecuencias y que un pequeo
disturbio como un tono de rodamiento , como lo enseamos aqu, podra
duplicar o cuadruplicar en nivel antes de afectar al RPC
general.
Por otra parte, hay circunstancias, donde la forma de onda nos
proporciona ms informacin que el espectro.
Antes de investigar el procedimiento de la realizacin de anlisis
de espectro vamos a estudiar los diferentes tipos de seales con que
vamos a trabajar.
Desde un punto de vista terico y prctico es posible dividir
todas las seales del dominio del tiempo en varios grupos. Estas
seales diferentes producen diferentes tipos de espectros, y para
evitar errores cuando llevamos a cabo el anlisis de frecuencias, es
conveniente conocer sus caractersticas.
Seales
TEMAS:
Seales EstacionariasSeales DeterministasSeales no
estacionariasSeales Estacionarias
La primera divisin natural de todas las seales es en las
categoras estacionarias y no estacionarias. Las seales
estacionarias son constantes en sus parmetros estadsticos sobre
tiempo. Si uno observa una seal estacionaria, durante unos momentos
y despus espera una hora y vuelve a observar, esencialmente se vera
igual , eso es, su nivel general seria casi lo mismo y su
distribucin de amplitud y su desviacin Standard serian casi lo
mismo. La maquinaria rotativa generalmente produce seales de
vibracin estacionarias.
Las seales estacionarias se dividen en seales deterministas y
aleatorias. Las seales aleatorias son impredecibles en cuanto a su
contenido de frecuencia y a su nivel de amplitud, pero todava
tienen caractersticas estadsticas relativamente uniformes sobre
tiempo.
Ejemplos de seales aleatorias son lluvia cayendo en un techo,
ruido de un motor a reaccin, turbulencia en los patrones de flujo
de una bomba y cavitacin.
Seales Deterministas
Seales deterministas son una clase especial de seales
estacionarias y tienen un contenido de frecuencia y de nivel
relativamente constante por un largo periodo de tiempo.
Seales deterministas son generadas por maquinaria rotativa,
instrumentos musicales, y generadores de funciones elctricas. Se
pueden dividir en seales peridicas, y casi peridicas. Seales
peridicas tienen formas de ondas con un patrn que se repite a igual
distancia en el tiempo. Seales casi peridicas tienen formas de onda
con una repeticin variable en el tiempo, pero que parece ser
peridica al ojo del observador.
A veces maquinaria rotativa producir seales casi peridicas,
especialmente equipo activado por banda.
Las seales deterministas son probablemente las ms importantes en
el anlisis de vibraciones y sus espectros se ven as:
La mayora de las seales casi peridicas son una combinacin de
varias series armnicas. Seales peridicas siempre producen espectros
con componentes a frecuencia discreta que son una serie armnica. El
trmino "armnico" viene de la msica donde los armnicos son mltiplos
de la frecuencia fundamental.
Seales no estacionarias
Seales no estacionarias se dividen en continuas y transientes.
Ejemplos de seales no estacionarias continuas son la vibracin
producida por una perforadora manual, y el sonido de fuegos
artificiales. Transientes se definen como seales que empiezan y
terminan al nivel cero y duran una cantidad de tiempo finita.
Pueden ser muy breves o bastante largos. Ejemplos de transientes
son un golpe de un martillo, el ruido de un avin que pasa, o la
firma de vibracin de una mquina arrancando o terminando de
funcionar.
Ejemplos de algunas Ondas y sus Espectros
A continuacin examinamos algunas formas de onda y sus espectros
que ensean algunas caractersticas importantes del anlisis de
frecuencia. Aunque estas son idealizadas , ya que fueron hechos por
un generador de funcin electrnico, y analizadas por un analizador
TRF, tienen algunos atributos, que se ven generalmente en espectros
de mquinas.
Una onda senoidal consiste de una frecuencia nica, y su espectro
es un punto nico. Tericamente, una onda senoidal existe un tiempo
infinito y nunca cambia. La transformada matemtica, que convierte
la forma de la onda del dominio del tiempo al dominio de la
frecuencia se llama la transformada de Fourier y comprime toda la
informacin en la onda senoidal de un tiempo infinito en un punto.
El hecho que el pico en el espectro que mostramos arriba tiene una
anchura finita , es un artefacto del anlisis TRF que comentaremos
ms adelante.
Una mquina desbalanceada tiene una fuerza de excitacin que es
una onda senoidal en 1x o bien una vez por revolucin. Si la mquina
fuera perfectamente lineal, en su respuesta, la vibracin resultante
seria una onda senoidal pura, como la muestra de arriba. En muchas
mquinas con balanceo deficiente, la forma de onda si se parece a
una onda senoidal y en el espectro hay un pico de vibracin
importante en 1x.
aqu vemos que un espectro armnico es el resultado de una forma
de onda peridica , en este caso una onda senoidal recortada. El
espectro contiene componentes a distancias iguales, y su distancia
es igual a 1 dividido entre el periodo de la forma de onda. El ms
bajo de los componentes arriba de la frecuencia cero se llama la
fundamental y los otros los armnicos. Esta forma de onda viene de
un generador de seal y se puede ver que alrededor de la lnea cero
no es simtrica. Eso quiere decir que tiene un componente CD y este
se ve como la primera lnea a la izquierda del espectro. Este sirve
para ilustrar que un anlisis de espectro puede extenderse toda la
distancia, hasta la frecuencia cero en terminologa comn hasta
CD.
En el anlisis de vibraciones de maquinaria, generalmente no es
deseable incluir frecuencias tan bajas en el anlisis del espectro y
esto por varias razones. La mayora de los transductores no
responden a la CD aunque si hay acelermetros que se usan en la
navegacin por inercia, que responden a la CD. Para vibracin de
mquina la frecuencia ms baja que se considera de inters es
alrededor de 0. 3 orden. En algunas mquinas este ser abajo de 1 Hz.
Se necesitan tcnicas especiales para medir e interpretar seales
abajo de esta frecuencia.
Se puede observar que este espectro consiste de puntos
discretos, por definicin la seal es deterministaEs comn en firmas
de vibracin de mquinas de ver una forma de onda recortada como se
muestra arriba. Esto quiere decir que hay holgura en la mquina y
algo est restringiendo su movimiento en una direccin.
La seal mostrada arriba es similar a la anterior pero est
recortada por ambos lados, positivos y negativos, y el resultado es
una forma de onda simtrica. Esto tipo de seal puede ocurrir en
vibracin de maquinaria si hay holgura en la mquina y si el
movimiento est restringido en ambas direcciones. El espectro parece
tener armnicos pero solamente son los armnicos nones. Todos los
armnicos pares faltan. Cualquier forma de onda peridica, simtrica
tendr un espectro con solamente los armnicos nones. El espectro de
una onda cuadrada tambin se vera as.
A veces el espectro de vibracin de una mquina se parecer a esto,
si la holgura es extrema, y si el movimiento de la parte en
vibracin est restringido en ambos extremos del desplazamiento.
Una mquina desbalanceada con un perno de sujecin flojo es un
ejemplo de esto.
Arriba se muestra un impulso producido por un generador de seal.
Observen el espectro, es continuo en lugar de discreto. En otras
palabras, la energa en el espectro est repandida en un rango de
frecuencias en lugar de ser concentrada solo en frecuencias
especficas. Esto es caracterstico de seales no deterministas, tales
como el ruido aleatorio y transientes Se puede ver que el nivel del
espectro se va a cero en una frecuencia particular. Esa frecuencia
es el recproco de la longitud del impulso. Por eso, ms corto el
impulso, ms grande su contenido en altas frecuencias. Si el impulso
sera infinitamente corto la llamada funcin delta en las matemticas)
entonces su espectro se extendera de cero a infinito en
frecuencias.
Cuando se examina un espectro continuo es generalmente imposible
determinar si es el resultado de una seal aleatoria o transiente.
Esto es una limitacin inherente del anlisis de frecuencias, tipo
Fourier, y por esta razn es buena idea estudiar la forma de onda,
cuando se encuentra un espectro continuo. En cuanto a la vibracin
de la maquinaria es de inters para el analista si ocurren impactos,
(causando impulsos en la forma de onda) o si est presente ruido
aleatorio, (por ejemplo debido a cavitacin) en la seal.
Un impulso nico raramente est producido por una mquina
giratoria, pero en la prueba del impulso este tipo de excitacin se
aplica a la mquina. Su respuesta en vibracin no ser una curva suave
clsica, como esta, pero ser contnua con picos correspondientes en
las frecuencias naturales de la estructura de la mquina. Este
espectro nos ensea que el impulso es una buena fuerza de entrada
que se puede usar en este tipo de pruebas, ya que contiene energa
en un rango continuo de frecuencias.
Si el mismo impulso que produjo el espectro anterior se repite a
una razn constante, el espectro que resultar tendr una envolvente,
con la misma forma que el espectro del impulso nico, pero consistir
de los armnicos de la frecuencia de repeticin del pulso en lugar de
un espectro continuo.
Este tipo de seal se produce por un rodamiento con un defecto en
uno de los anillos. Los impulsos pueden ser muy angostos y siempre
producirn una serie importante de armnicos.
Efectos de Modulacin
Modulacin es un efecto no lineal en el cual varias seales
interactan unas con otras para producir nuevas seales con
frecuencias que no estaban presentes en las seales originales. Los
efectos de la modulacin son la damnacin del ingeniero audio, ya que
producen distorsin intermodular que es molesta para el auditor de
msica. Hay muchas formas de modulacin incluyendo la modulacin de
frecuencia. y de amplitud y el sujeto es muy complejo. Ahora
estudiarmos individualmente a los dos tipos de modulacin.
Es raro ver la modulacin de frecuencia sola. La mayora de las
mquinas producirn modulacin de amplitud al mismo tiempo que
modulacin de frecuenciaLa modulacin de frecuencia (FM) es la
variacin en frecuencia de una seal, debido a la influencia de otra
seal, generalmente de frecuencia ms baja. La frecuencia que se est
modulando, se llama la cargadora . En el espectro mostrado arriba,
el componente ms importante es la cargadora, y los otros
componentes, que parecen armnicos se llaman bandas laterales. Esas
bandas laterales se ubican simtricamente de cada lado de la
cargadora, y su distancia es igual a la frecuencia moduladora.
Modulacin de frecuencia ocurre en espectros de vibracin de
mquinas, especialmente en cajas de engranes, donde la frecuencia
del engranaje est modulada por las rpm del engrane. . Tambin ocurre
en algunos altavoces, de sistemas de sonido , donde se llama
distorsin FM, aunque generalmente a un nivel muy bajo.
Este ejemplo nos muestra una modulacin de amplitud a cerca de
50% de la modulacin total.
Se nota que la frecuencia de la forma de onda parece ser
constante y que el nivel est fluctuando en una proporcin constante.
Esta seal de prueba fue producida, variando rpidamente el control
de ganancia, en un generador de funcin, mientras que se grababa la
seal.
Este tipo de seal se produce frecuentemente en engranes y
rodamientos con defectos y se puede identificar fcilmente por las
bandas laterales en el espectro. El espectro tiene un pico en la
frecuencia cargadora. , y dos componentes a cada lado. Estos
componentes suplementarios son las bandas laterales. Noten que aqu
solamente hay dos bandas laterales en comparacin con la gran
cantidad producida por la modulacin de frecuencia. Las bandas de
frecuencia estn a una distancia de la cargadora, igual a la
frecuencia de la seal moduladora, en este caso en la frecuencias a
la que se movi el botn del control. En este ejemplo, la frecuencia
moduladora es mucha ms baja que la frecuencia modulada, o
cargadora, pero en situaciones prcticas, las dos frecuencias estn
cerca una de otra.
Estas frecuencias son ondas senoidales, pero en la prctica, la
seal modulada y la moduladora muchas veces son complejas. Por
ejemplo, la seal que transmite un radio AM, contiene una cargadora
de alta frecuencia, y muchas bandas laterales, que son el resultado
de la emisin de la modulacin de la cargadora por la seal de la voz
o de la msica.
Una firma de vibracin o acstica similar a esto, se genra muchas
veces en motores elctricos con problemas en las barras del
rotor.
Pulsos
Es casi imposible ver la diferencia entre pulsaciones y
modulacin de amplitud, estudiando la forma de onda. Las dos son
procesos fundamentalmente diferentes, causados por fenmenos
diferentes en las mquinas. El espectro cuenta toda la historia.
Esta forma de onda se v como modulacin de amplitud pero en realidad
son dos seales de onda senoidal que se sumaron para formar pulsos.
Ya que las seales son ligeramente diferentes en frecuencia, su fase
relativa vara de 0 a 360 grados, y eso quiere decir que la amplitud
combinada vara, debido al reforzamiento y a la cancelacin parcial.
El espectro ensea la frecuencia y la amplitud de cada componente y
no hay bandas laterales. En este ejemplo, las amplitudes de las dos
seales son diferentes, provocando una cancelacin incompleta en los
puntos cero entre las mxima. Pulsar es un procedimiento lineal. No
crea componentes de frecuencia adicionales.
Los motores elctricos a veces producen firmas de sonido y de
vibracin que se parecen a pulsaciones, en las que la proporcin de
pulsaciones es dos veces la frecuencia de deslizamiento. Esto no es
pulsacin;en realidad se trata de modulacin de amplitud de la firma
de vibracin a dos veces la frecuencia de deslizamiento.
Probablemente se le ha llamado pulsacin porque suena un poco como
las pulsaciones que se encuentran en el sonido de un instrumento de
msica desafinado.
Esto parece modulacin de amplitud a 100%!
Este ejemplo de pulsacin es como lo anterior, pero los niveles
de las dos seales son iguales y se cancelan completamente en los
puntos cero. La cancelacin completa se ve raramente en seales
verdaderas, que se encuentran en equipo rotativo.
Anteriormente, hemos visto que las pulsaciones y la modulacin de
amplitud producen formas de onda similares. Esto es correcto, pero
hay una diferencia stil. Estas formas de onda fueron amplificadas
para obtener ms claridad. Noten que en el caso de las pulsaciones
hay un cambio de fase en el punto donde la cancelacin est
completa.
Escalas de frecuencias logartmicas
Hasta aqu, la nica clase de anlisis de frecuencia que
estudiamos, a sido en una escala lineal. Eso quiere decir que el
eje de las frecuencias est puesto de manera lineal. Esto es
adecuado para un anlisis de frecuencias con una resolucin de
frecuencia constante a travs del rango de las frecuencias. Eso se
llama anlisis de banda angosta. El analizador TRF realiza esta
clase de anlisis.
Hay muchas situaciones donde se requiere de un anlisis de
frecuencia, pero donde el anlisis de banda angosta no presenta los
datos en su forma ms til. Un ejemplo de esto es el anlisis del
ruido acstico donde se estudia el indice de molestias a un
observador humano. El mecanismo de audicin humano es sensible a
proporciones de frecuencias ms que a frecuencias. La frecuencia de
un sonido determinar su altura como percibido por un auditor y una
proporcin de dos veces una frecuencia se escucha como un cambio de
altura de una octava, sin que importe cuales fueran las
frecuencias. Si por ejemplo se sube un sonido de 100 Hz a 200 Hz,
su altura se subir una octava:Un sonido de 1000 Hz cuando se sube a
2000 Hz tambin se subir una octava en altura. El hecho es valido
con tanta precisin en un rango importante de frecuencias , que es
conveniente definir una octava como una proporcin de frecuencias de
dos, aunque la octava misma es una medida subjetiva de cambio en la
altura de un sonido.
Este fenmeno se puede resumir diciendo que la percepcin de
altura del oido es proporcional al logartmo de la frecuencia, en
lugar de a la frecuencia misma. Por eso, tiene sentido el expresar
el eje de frecuencias de espectros acsticos en un eje de log
frecuencias, y eso es lo que se hace de manera casi universal. Por
ejemplo, las curvas de las respuestas de frecuencias publicadas por
los fabricantes de sonido, siempre vienen en log frecuencia. De la
misma manera, cuando se lleva a cabo un anlisis de frecuencia de
sonido, es muy comn el usar grficas con log frecuencia.
El eje vertical de un espectro de banda se divide por lo general
en decibel (dB)
La octava es un intervalo de frecuencias para el oido, que el
llamado anlisis de banda de octavas ha sido definido como una norma
para el anlisis acstico. El dibujo de abajo muestra un espectro
tpico, de banda de octava, donde se usan las frecuencias Standard
ISO de la banda de las octavas. Cada banda de octavas tiene una
anchura de banda de alrededor del 70% de su frecuencia central.
Este tipo de espectro se llama banda a porcentaje constante, porque
cada banda tiene su anchura que es un porcentaje constante de su
frecuencia central. En otras palabras:las bandas de anlisis se
hacen mas anchas en proporcin a sus frecuencias centrales.
Se podra argumentar que la resolucin de frecuencias en un
anlisis de banda de octavas no es lo suficiente preciso, para ser
muy til, especialmente en el anlisis de la firma de vibraciones. de
maquinaria, pero es posible de definir el anlisis de bandas a
porcentaje constante, con bandas de frecuencias de una anchura ms
angosta. Un ejemplo comn de esto es el espectro de un tercio de
octava, cuyos anchuras de banda son alrededor del 27% de sus
frecuencias centrales. Tres bandas de un tercio de octava forman
una octava y la resolucin de este tipo de espectro es tres veces
mejor que la del espectro de la banda de octava. Los espectros de
un tercio de octava se usan frecuentemente en mediciones
acsticas.
Una ventaja mayor del anlisis de las bandas de porcentaje
constante es que en una grfica se puede mostrar un largo rango de
frecuencias, y que la resolucin de frecuencias en las frecuencias
bajas puede ser todavia bastante angosta. Evidentemente, la
resolucin de frecuencias en las frecuencias ms altas sufrir, pero
esto no presenta un problema para algunas aplicaciones, como la
deteccin de fallas en mquinas.
En el captulo acerca del diagnostico de fallas en mquinas vermos
que los espectros de banda angosta son muy tiles para resolver
armnicos y bandas laterales, de altas frecuencias. Pero para la
deteccin de una falla en una mquina, no se requiere una resolucin
tan alta. El espectro de velocidad de vibracin de la mayora de
mquinas tendr una pendiente hacia abajo, en las frecuencias ms
altas, y un espectro de banda a porcentaje constante (BPC) de los
mismos datos, generalmente tendr que ser ms uniforme en su nivel
sobre un largo rango de frecuencias. Esto quiere decir que un
espectro BPC hace mejor uso del rango dinmico de los instrumentos.
Los espectros de un tercio de octava estn lo suficiente angosto en
las frecuencias bajas, como para ensear los primeros y raros
armnicos de la velocidad de funcionamiento, y se pueden usar de
manera efectiva, para la deteccin de fallas , si se establece una
tendencia en el tiempo.
El uso de espectros constantes BPC para el monitoreo de
maquinaria no ha sido bien reconocido en la indstria, con unas
excepciones notables tales como la flotilla de submarinos de la
marina de los E. U. A.
Escalas Lineales y Logartmicas de Amplitud
Puede parecer mejor, estudiar los espectros de vibracin con una
escala lineal de amplitud, ya que eso es una verdadera
representacin de la amplitud de vibracin, medida en la realidad.
Una escala lineal hace que se vean y se evalen muy fcilmente los
componentes ms largos en un espectro. Componentes muy pequeos
pueden pasar desapercibidos, o en el mejor de los casos, es difcil
asignarles una magnitud. El ojo tiene la capacidad de ver
componentes pequeos, de un tamao de 1/50 de los ms grandes en un
mismo espectro, pero cualquier cosa ms pequea que esto se pierde.
En otras palabras, el rango dinmico del ojo es de alrededor de 50 a
1. Este equivale a 34 dB.
La escala lineal puede ser adecuada en casos donde los
componentes tienen todos casi el mismo tamao, pero en el caso de
vibracin de maquinaria, las fallas incipientes en partes como
rodamientos producen seales con amplitudes muy pequeas. Si queremos
hacer un buen trabajo en establecer una tendencia en los niveles de
estos componentes del espectro, es mejor trazar el logaritmo de la
amplitud en lugar de la misma amplitud. De esta manera podemos
fcilmente mostrar e interpretar visualmente un rango dinmico de por
lo menos 5000 a 1 o sea ms que 100 veces mejor que lo que permite
una escala lineal.
Para ilustrar tipos diferentes de presentacin de amplitud,
mostraremos la misma firma de vibracines en una escala lineal y dos
tipos diferentes de escala logartmica de amplitud.
Escala Linear de Amplitud
Observen que este espectro lineal muestra muy bien los picos
largos , pero la informacin acerca de los niveles ms bajos no est
disponible. En el caso del anlisis de la vibracin en maquinaria,
muchas veces estamos interesados en los componentes mas pequeos del
espectro. Esto es en caso de diagnstico de rodamientos a elementos
rodantes. Este sujeto se tratar en detalle en el captulo acerca del
Monitoreo de Vibracin en Maquinaria.
El espectro abajo traza el logartmo del nivel de vibracin en
lugar del nivel mismo.
Escala de Amplitud Logartmica
Ya que este espectro est en una escala logartmica, de amplitud,
una multiplicacin con un valor constante solamente transfiere el
espectro hacia arriba en la pantalla, sin cambiar su forma o la
relacin entre los componentes.
En una escala logartmica , la multiplicacin del nivel de la seal
se traduce en una adicin. Esto quiere decir que si se cambia la
cantidad de amplificacin de una seal de vibracin , esto no afectar
a la forma del espectro. Este hecho simplifica de manera importante
la interpretacin de espectros logartmicos tomados a varios factores
de amplificacin. --se transfieren las curvas por arriba o por abajo
en la grfica--Con una escala lineal, la forma del espectro cambia
de manera drastica, con varios grados de amplificacin.
El espectro siguiente viene en decibels, un tipo especial de
escala logartmica, muy importante en anlisis de vibraciones.
Escala de Amplitud en Decibel
More:
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/eldecibel.htm" El
Decibel
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/valoresdbvsproporcionesdeniveldeamplitud.htm"
Valores dB vs Proporciones de Nivel de Amplitud
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/conversionesdeunidades.htm"
Conversiones de Unidades
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/nivelesvdbvsnivelesdevibracinenpps.htm"
Niveles VdB vs Niveles de Vibracin en pps
El Decibel
Los decibeles son tiles en la medicin de vibraciones y en la
medicin acusticaUn tipo conveniente de escala logartmica es la
escala decibel o escala dB. Es una escala de proporcin, que
relacione el nivel medido de amplitud a un nivel de referencia.
Se define el decibel (dB) por la expresin siguiente:
donde: LdB = el nivel de la seal en dB
L1= el nivel de Vibracin, en Aceleracin , Velocidad, o
Desplazamiento.
Lref = el nivel de referencia, equivalente a 0 dB
El concepto del decibel fue introducido por los laboratorios
Bell Telephone antes de 1930. Se us por primera vez, para medir la
perdida de fuerza relativa, y la proporcin seal/ruido en lneas
telefnicas. rpidamente se adopt en servicio como una medida del
nivel de presin acustica del sonido.
El nivel de velocidad de vibracin en dB abreviado VdB est
definido como:
o
El "Systme International" , o SI es el reemplazo moderno del
sistema mtrico. La referencia o el nivel " 0 dB" de 109 metros por
segundo, es lo suficiente pequeo por que todas nuestras mediciones
en maquinaria resultan en nmeros positivos de dB. Este nivel de
referencia normalizado usa las unidades de normas internacionales o
del sistema mtrico, pero no est reconocido como una norma en los E.
U. A. y otros paises de habla ingls. (La marina de E. U. A. y
muchas indstrias norte americanas usan una referencia de 0 dB de
108 m/seg. , y as sus resultados son mas bajos que los resultados
segn las normas internacionales de 20 dB para la misma medicin.
El VdB es poner la magnitud de la vibracin en una escala
logartmica, y que permite la realizacin fcil de mediciones
relativas. Un incremento de nivel de 6 dB representa una duplicacin
de la amplitud sin tomar en cuenta el nivel inicial. De la misma
manera, un incremento de 20 dB representa un cambio en el nivel con
un factor de diez. De esta manera, una proporcin constante de
niveles se ve como cierta distancia en la escala, sin tomar en
cuenta los niveles absolutos de las mediciones. Esto hace muy fcil
la evaluacin de tendencias de los datos espectrales de vibracin. Un
incremento de 6 dB siempre indica una duplicacin de las
magnitudes.
Valores dB vs Proporciones de Nivel de Amplitud
La tabla siguiente nos da la relacin de los valores dB contra
las proporciones de amplitud.
Cambio en dBProporcin de nivel linealCambio en dBProporcin de
nivel lineal
0
1
30
31
3
1.4
36
60
6
2
40
100
10
3.1
50
310
12
4
60
1000
18
8
70
3100
20
10
80
10,000
24
16
100
100,000
Se recomienda que se use VdB como una escala de amplitud de
vibracin ya que una cantidad de informacin ms grande est disponible
al espectador en comparacin con las unidades de amplitud. Tambin en
comparacin con una escala logartmica, una escala dB es mucho ms
fcil de leer.
Conversiones de Unidades
La Aceleracin y el Desplazamiento tambin se pueden exprimir en
las escalas dB. La escala AdB es la que ms se usa y su punto de
referencia cero est puesto en 1 micro G, abreviado mG.
Resulta que AdB = VdB a 159. 2 Hz. Los niveles VdB, AdB y DdB
son relacionados por las siguientes formulas:
Cualquier parmetro de vibraciones , desplazamiento, velocidad o
aceleracin se puede mostrar en una escala dB:Las cantidades de
referencia en esta esca-la para o dB fueron escogidas de tal manera
que los niveles de dB de las tres cantidades sean las mismas a 159.
2 Hz, que equivale a 1000 radianes por segundo.
La aceleracin y la Velocidad en unidades lineales se calculan de
los niveles dB como sigue:
Es conveniente recordar la siguiente regla general: A 100 Hz, 1G
= 120 AdB = 124 VdB = 2. 8 mils p. pulgada.
Notan que la forma de onda en el dominio de tiempo siempre est
representada en unidades de amplitud lineales, no es posible usar
una escala logartmica en la grfica de la forma de onda ya que
algunos de los valores son negativos, y el logartmo de un nmero
negativo no est definido.
Niveles VdB vs Niveles de Vibracin en pps
El nivel de pico es la unidad Standard para la medicin de
velocidad de vibracin, aunque en la mayora de los casos las RPM
tendran ms entidoA continuacin una tabla de conversin para
relacionar niveles VdB a pulgadas por segundo pico.
VdBPps pico VdBPps picoVdBPps pico
60
.0006
90
.018
120
.56
62
.0007
92
.022
122
.70
64
.0009
94
.028
124
.88
66
.0011
96
.035
126
1.1
68
.0014
98
.044
128
1.4
70
.0018
100
.056
130
1.8
72
.0022
102
.070
132
2.2
74
.0028
104
.088
134
2.8
76
.0035
106
.11
136
3.5
78
.0044
108
.14
138
4.4
80
.0056
110
.18
140
5.6
82
.0070
112
.22
142
7.0
84
.0088
114
.28
144
8.8
86
.011
116
.35
146
11.1
88
.014
118
.44
148
14.0
Datos Generales
Uno de los primeros transductores fue e dedo humano!Un
transductor todavia mas bsico y mucho ms sensible, es el rgano
lateral lineal de los peces. El transductor de vibraciones es un
aparato que produce una seal elctrica que es una rplica o anlogo
del movimiento vibratorio al cual est sujeto. Un buen transductor
no debe agregar falsos componentes a la seal, y deberia producir
seales uniformes en todo el rango de frecuencias que nos
interesa
Los tipos diferentes de transductores responden a parmetros
diferentes de la fuente de vibracin. , como se puede apreciar en la
tabla siguiente.
Nombre:Sensible a
Sensor de Proximidad
Desplazamiento
Sensor de Velocidad
Velocidad
Accelerometro
Acceleracion
A continuacin examinarmos las caractersticas de esos
transductores.
More:
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/elsensordeproximidad.htm"
El Sensor de Proximidad
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/elsensordevelocidad.htm"
El Sensor de Velocidad.
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/elacelermetro.htm" El
Acelermetro
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/fondo.htm" Fondo
El Sensor de Proximidad
Un tipo muy comn de sensor de proximidad se conoce
comercialmente como el "Proximiter". Es una marca comercial de la
Bentley Nevada Company. El Sensor de proximidad, tambin llamado
"Sensor de Corriente de Remolino", o "Transductor de
Desplazamiento" es una unidad de montaje permanente, y necesita un
amplificador que condiciona la seal para generar un voltaje de
salida, proporcional a la distancia entre el transductor y la
extremidad de la flecha. Su operacin est basada en un principio
magntico. y por eso, es sensible a las anomalias magnticas en la
flecha. Se debe tener cuidado para evitar que la flecha sea
magnetizada y que de esta manera, la seal de salida sea
contaminada. Es importante saber que el transductor mide el
desplazamiento relativo entre el rodamiento y el gorrn. , y no mide
el nivel de vibracin total de la flecha o del carter. El
transductor de desplazamiento est por lo general instalado en
grandes mquinas con rodamientos con gorrones , donde se usa para
detectar fallas en los rodamientos y para apagar la mquina antes
que occura una falla catastrfica.
Esos transductores se usan mucho en pares, separados por una
diferencia de orientacin de 90 grados. Se pueden conectar a los
platos horizontales y verticales de un osciloscopio para sealar la
rbita o la ruta del gorrn , cuando est dando vueltas en el
rodamiento.
La frecuencia de respuesta del transductor de desplazamiento va
desde DC (0 Hz) hasta alrededor de 1 000 Hz.
El Sensor de Velocidad.
Algunos sensores de velocidad estn hechos con una bobina mvil
fuera de un imn estacionario. El principio de operacin es el mismo.
Un otro tipo de transductor de velocidad consiste en un acelermetro
con un integrador electrnico incluido. Esta unidad se llama un
Velmetro y es en todos los aspectos superior al sensor de velocidad
sismico clsico.
El sensor de velocidad fue uno de los primeros transductores de
vibracin, que fueron construidos. Consiste de una bobina de alambre
y de un imn colocados de tal manera que si se mueve el carter, el
imn tiende a permanecer inmvil debido a su inercia. El movimiento
relativo entre el campo magntico y la bobina induce una corriente
proporcional a la velocidad del movimiento. De esta manera, la
unidad produce una seal directamente proporcional a la velocidad de
la vibracin. Es autogenerador y no necesita de aditamentos
electrnicos acondicionadores para funcionar. Tiene una impedancia
de salida elctrica relativamente baja que lo hace relativamente
insensible a la induccin del ruido.
Aun tomando en cuenta estas ventajas, el transductor de
velocidad tiene muchas desventajas, que lo vuelven casi obsoleto
para instalaciones nuevas, aunque hoy en dia todavia se usan varios
miles. Es relativamente pesado y complejo y por eso es caro, y su
respuesta de frecuencia que va de 10 Hz a 1000 Hz es baja. El
resorte y el imn forman un sistema resonante de baja frecuencia,
con una frecuencia natural de 10 Hz. La resonancia tiene que ser
altamente amortiguada, para evitar un pico importante en la
respuesta a esta frecuencia. El problema es que la amortiguacin en
cualquier diseo prctico es sensible a la temperatura, y eso provoca
que la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase dependan de
la temperatura.
El Acelermetro
El acelermetro de tipo de compresin como se muestra en el
diagrama fue el primer tipo a ser desarollado. Por lo general se
prefiere el acelermetro del tipo de cizallamiento, configurado de
tal manera que el elemento activo esta sujeto a fuerzas de
cizallamiento.
Tambin hay otros tipos de diseos para acelermetros.
Se puede considerar al acelermetro piezo electrico como el
transductor Standard para medicin de vibracin en mquinas. Se
produce en varias configuraciones, pero la ilustracin del tipo a
compresin sirve para describir el principio de la operacin. La masa
sismica est sujetada a la base con un perno axial, que se apoya en
un resorte circular. El elemento piezo electrico est ajustado entre
la base y la masa. Cuando una materia est sujeta a una fuerza, se
genera una carga elctrica entre sus superficies. Hay muchas
materias de este tipo. Cuartzo se usa ms. Tambin hay materias piezo
elctricos sintticos que funcionan bien y en algunos casos son
capaces de funcionar a temperaturas ms altas que el cuartzo lo
puede hacer. Si se incrementa la temperatura de un material piezo
elctrico, se va llegar al llamado "punto curie" o " temperatura
curie" y se pierde la propiedad piezo elctrica. Una vez que esto
pasa, el transductor est defectuoso y no se puede reparar.
Cuando se mueve el acelermetro en la direccin arriba abajo, la
fuerza que se requiere para mover la masa sismica esta soportada
por el elemento activo. Segn la segunda ley de Newton, esa fuerza
es proporcional a la aceleracin de la masa. La fuerza sobre el
cristal produce la seal de salida, que por consecuente es
proporcional a la aceleracin del transductor. Los acelermetros son
lineales en el sentido de la amplitud, lo que quiere decir que
tienen un rango dinmico muy largo. Los niveles ms bajos de
aceleracin que puede detectar son determinado unicamente por el
ruido electrnico del sistema electrnico, y el lmite de los niveles
ms altos es la destruccin del mismo elemento piezo electrico. Este
rango de niveles de aceleracin puede abarcar un rango de amplitudes
de alrededor de 10 , lo que es igual a 160 dB. Ningn otro
transductor puede igualar esto.
El acelermetro piezo electrico est muy estable sobre largos
periodos. Mantendr su calibracin si no se le maltrata. Las dos
maneras de que se puede daar un acelermetro son la exposicin a un
calor excesivo y la caida en una superficia dura. Si se cae de una
altura de mas de un par de pies, en un piso de concreto, o en una
cubierta de acero, se debe volver a calibrar el acelermetro para
asegurarse que el cristal no se cuarte. Una pequea cuarteadura
causar una reduccin en la sensibilidad y tambin afectar de manera
importante a la resonancia y a la respuesta de frecuencia. Es una
buena idea calibrar los acelermetros una vez al ao, si estn en
servicio con colectores de datos portatiles.
El rango de frecuencias del acelermetro es muy ancho y se
extiende desde frecuencias muy bajas en algunas unidades hasta
varias decenas de kilohertzios. La respuesta de alta frecuencia est
limitada por la resonancia de la masa sismica, junto con la
elasticidad del piezo elemento. Esa resonancia produce un pico
importante en la respuesta de la frecuencia natural del
transductor, y eso se situa normalmente alrededor de 30 kHz para
los acelermetros que se usan normalmente. Una regla general es que
un acelermetro se puede usar alrededor de 1/3 de su frecuencia
natural. Datos arriba de esta frecuencia se acentuarn debido de la
respuesta resonante, pero se pueden usar si se toma en cuenta este
efecto.
Cuando se usa un acelermetro PCI se debe tener cuidado de no
exponerlo a niveles de aceleracin donde el voltaje de salida
reba-sara varios voltios . Si no, se sobrecargar el preamplificador
interno y el resultado ser una distorsin. La mayora de los
acelermetros que hoy en da se usan en la indstria son del tipo
"PCI", lo que quiere decir que tienen un preamplificador interno de
circuito integrado. Este preamplificador recibe su energa de la
polarizacin de la corriente directa por el alambre de la misma
seal, as que no se necesita alambrado suplementario. El aparato con
que est conectado el aparato debe tener su fuerza de corriente
directo disponible para este tipo de transductor. El acelermetro
PCI tendr un limite de baja frecuencia, debido al mismo
amplificador y este se situa generalmente a 1 Hz para la mayora de
las unidades disponibles comercialmente. Algunas unidades fueron
diseadas especialmente para ir hasta 0, 1 Hz si se necesita datos
de muy baja frecuencia.
Cuando se conecta un acelermetro PCI a la fuente de energa, el
amplificador necesita unos segundos para estabilizarse. Durante
este tiempo cualquier dato que la unidad recoger ser contaminado
por las lentas variaciones del voltaje. Por esa razn, los
recopiladores de datos deben de tener un retraso integrado, para
asegurar que la unidad est en condicin estable. Si el retraso es
demasiado breve, la forma de onda de tiempo tendr una rampa de
voltaje en forma exponencial superpuesta sobre los datos y en el
espectro se ver una caracterstica creciente de muy baja frecuencia
a veces llamada bajada de eski. Este se debe evitar, ya que
compromete el rango dinmico de la medicin.
La frecuencia de resonancia de un acelermetro depende mucho de
su montaje. El mejor tipo de montaje siempre es el montaje con
botn, todo lo dems limitar el rango de frecuencia efectivo de la
unidad.
Cuando se coloca un acelermetro es importante que la ruta de
vibracin desde la fuente hacia el acelermetro sea la ms corta
posible, especialmente si se esta midiendo la vibracin en
rodamientos con elementos rodantes.
Fondo
Esta seccin cubrir la operacin y la teoria del analizador TRF
que es el equipo de anlisis de seal que ms se usa en el campo de
vibraciones. Muchas trabajadores consideran que el analizador TRF
es una "caja magica" en la que se pone una seal y de la que sale un
espectro. Por lo general la suposicin es que el espectro dice la
verdad. La caja no puede mentir. Veremos que esta suposicin es
vlida en muchos casos, pero tambin veremos que podemos ser engaados
porque hay muchas trampas en el proceso de anlisis de seales
digitales. Uno de los propsitos de esta seccin es ayudarles para
evitar caer en unas trampas y aun si caen, de ayudarles para salir
adelante.
El anlisis TRF es solamente un tipo de anlisis de espectros
digitales, pero no nos concentraremos en otros tipos ya que no son
aplicable al programa VMS.
El analizador TRF
Fondo
Esta seccin cubrir la operacin y la teoria del analizador TRF
que es el equipo de anlisis de seal que ms se usa en el campo de
vibraciones. Muchas trabajadores consideran que el analizador TRF
es una "caja magica" en la que se pone una seal y de la que sale un
espectro. Por lo general la suposicin es que el espectro dice la
verdad. La caja no puede mentir. Veremos que esta suposicin es
vlida en muchos casos, pero tambin veremos que podemos ser engaados
porque hay muchas trampas en el proceso de anlisis de seales
digitales. Uno de los propsitos de esta seccin es ayudarles para
evitar caer en unas trampas y aun si caen, de ayudarles para salir
adelante.
El anlisis TRF es solamente un tipo de anlisis de espectros
digitales, pero no nos concentraremos en otros tipos ya que no son
aplicable al programa VMS.
Anlisis de Espectro
Al barn Fourier, le otorgaron el ttulo de gobernador de Egipto
despus de la victoria de NapolenEl anlisis de espectros que se
define como la transformacin de una seal de la representacin en
el dominio del tiempo hacia la representacin en el dominio de la
frecuencia, tiene sus raices a principio del siglo XIX, cuando
varios matemticos lo investigaron desde una base terica. Pero fue
un hombre prctico, un ingeniero con una educacin matemtica , que
desarroll la teora en que estn basadas casi todas nuestras tcnicas
modernas de anlisis de espectro. Este ingeniero era Jean Baptiste
Fourier. El estaba trabajando para Napolen, durante la invasin de
Egipto en un problema de sobrecalentamiento de caones, cuando
dedujo la famosa Serie de Fourier, para la solucin de la conduccin
de calor. Puede parecer que hay una gran distancia entre caones
sobrecalentados y anlisis de frecuencia, pero resulta que las
mismas ecuaciones son aplicables en los dos casos. Fourier ms tarde
generaliz la Serie de Fourier en la Transformada Integral de
Fourier. La llegada del anlisis de las seales digitales
naturalmente llev a la llamada Transformada Discrecional de Fourier
y la Transformada Rpida de Fourier o TRF
More:
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/formasdelatransformadadefourier.htm"
Formas de la Transformada de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/laseriedefourier.htm"
La Serie de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/loscoeficientesdefourier.htm"
Los Coeficientes de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/latransformadaintegraldefourier.htm"
La Transformada Integral de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/latransformadadiscrecionaldefourier.htm"
La Transformada Discrecional de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/latransformadarpidadefourier.htm"
La Transformada Rpida de Fourier
HYPERLINK
"http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/conversindeanlogoadigital1.htm"
Conversin de Anlogo a Digital
HYPERLINK "http://www.dliengineering.com/