MANTENIMIENTO PREDICTIVO EN PALAS

MANTENIMIENTO PREDICTIVO EN PALAS
ELECTROMECANICAS DE LA MINERIA
Pedro Saavedra González – Carlos Román Ledermann
Universidad de Concepción
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Casilla 53-C
Concepción, CHILE.
RESUMEN
En este trabajo se presentan los fundamentos básicos para la aplicación de un mantenimiento predictivo a las
palas electromecánicas utilizadas en la minería. En la primera parte se indica las ventajas y principios del
mantenimiento predictivo y la aplicación de estos principios a las palas mineras. Estas son descritas mostrando
sus unidades principales y sus transmisiones. Luego se presentan un resumen de las tecnologías predictivas
poniendo énfasis en las técnicas especiales hacia las palas. Se detalla también, las condiciones de trabajo de las
palas, y sus modificaciones para poder realizar mediciones correctas. Finalmente se presenta un ejemplo de un
análisis de vibraciones realizadas a una de las transmisiones de una pala minera. Se concluye que es posible,
utilizando las técnicas de análisis actualmente disponibles en los analizadores de vibraciones modernos,
implementar un exitoso mantenimiento predictivo-proactivo en las palas electromecánicas de la gran minería del
cobre.
INTRODUCCION
La industria moderna debe ser competitiva y por ello
debe disminuir los costos de sus productos. Dentro
de esto, la mantención juega un papel fundamental,
ya que es la encargada de mantener los equipos
productivos en la mejor condición de operación, y
evitar dentro de lo posible, las paradas no
programadas. Por este motivo, la aplicación de una
estrategia de mantenimiento adecuada a la industria
es fundamental para la competitividad. La práctica
ha llevado que las industrias cambien el
mantenimiento preventivo y correctivo por un
mantenimiento predictivo-proactivo, con el objeto
de disminuir sus costos de mantenimiento
además, al desconocimiento de los usuarios en las
técnicas especiales de medición requeridas y en el
funcionamiento y partes de las maquinas.
La experiencia mundial que existe son aplicaciones
en máquinas de alta velocidades (>600 cpm), y que
trabajen a velocidad y carga constante. Las palas
electromecánicas,
en
cambio,
tienen
un
funcionamiento bien particular, ya que tienen ejes
que trabajan a muy bajas velocidades, además de
carga y velocidad variable. Por este motivo, el
estudio de las palas es un desafío para el
mantenimiento predictivo.
En la industria minera, la extracción de los minerales
se realiza con las palas electromecánicas, donde con
pocas paladas llenan un camión de gran tonelaje. Por
este motivo, las palas son un elemento crítico en la
minería, ya que si pararan por falla, se detendría la
extracción, lo que traería consigo una interrupción
en la producción.
Un mantenimiento predictivo aplicado en las palas
electromecánicas en la minería es la solución a los
problemas de mantenimiento. Sin embargo, su
aplicación ha tenido varias dificultades y sus
resultados no han sido los esperados. Esto es debido
fundamentalmente al complejo ciclo de ellas, pero
Figura 1: Pala electromecánica de la minería.
Para una aplicación exitosa de un plan de
mantenimiento predictivo-proactivo en las palas, se
requerirá entonces de una aplicación integrada de
diferentes técnicas predictivas, junto a un
conocimiento de los modos de fallas esperables de
distintos elementos
MANTENIMIENTO PREDICTIVO
El mantenimiento predictivo, consiste en evaluar en
todo instante la condición de la máquina a través de
la medición de síntomas que ella emita al exterior,
identificando cualquier problema presente o
inminente y prediciendo cuándo deberían realizarse
acciones correctivas.
El mantenimiento predictivo es análogo a la
medicina en seres humanos. Inspección visual,
chequeos y completos exámenes médicos son para el
cuerpo humano como el mantenimiento predictivo a
las máquinas.
Hay varios beneficios que pueden obtenerse
utilizando una estrategia de mantenimiento
predictivo, los cuales incluyen:
• La detección de fallas con suficiente antelación
permite evitar problemas mecánicos mayores, que
podrían transformarse en fallas caras o
potencialmente catastróficas.
La tecnología predictiva se refiere a un grupo
multidisciplinario de técnicas que son las
herramientas con que se cuenta para poder evaluar la
condición de la máquina. La tecnología para un
mantenimiento predictivo incluye análisis de
vibraciones, análisis de aceite, termografía
infrarroja, detección de ultrasonido u otra técnica de
medición de ondas de alta frecuencia y análisis de
corriente.
A continuación se ilustrará los principios del
mantenimiento predictivo, antes mencionado, en las
palas electromecánicas. Luego se mostrará su
funcionamiento y las modificaciones requeridas, con
el fin de poder realizar mediciones correctas.
PALAS ELECTROMECÁNICAS
Las palas de la minería, son maquinarias modernas
de gran tamaño y peso, cuyos baldes son capaces de
mover entre 23 y 28 metros cúbicos, es decir, entre
70 y 77 toneladas de mineral de una sola vez. Estas
palas son eléctricas y su potencia la obtienen
conectándose al tendido de alta tensión o a camiones
generadores de electricidad.
Las palas en general, constan de tres unidades
principales: la maquinaria inferior, el puente
giratorio y el equipo frontal.
• La detección anticipadas de fallas permite
planificar las necesidades de mantenimiento.
• El diagnóstico de la condición de la máquina
mientras está funcionando, evita abrirla a
intervalos regulares de tiempo. La intervención de
la máquina se limita a cuando es estrictamente
necesario, evitando los problemas de toda partida.
Los objetivos o metas que busca la implementación
de un programa de mantenimiento predictivo son los
siguientes:
• Vigilancia de las máquinas: detectar la presencia
de un problema y establecer cuan mala es la
condición de la máquina.
• Protección de las máquinas: Pretende evitar una
falla catastrófica a través de paradas automáticas.
• Diagnóstico de fallas: Identificar cual es el
problema específico que afecta a la máquina.
• Pronóstico de vida: Estimar cuanto tiempo más
puede trabajar la máquina sin riesgo, una vez
diagnosticado un problema en ella.
Para una correcta aplicación de un mantenimiento
predictivo se necesita los siguientes requisitos como
mínimo: un conocimiento completo de la máquina y
los potenciales modos de fallas de sus elementos,
conocer todas las tecnologías predictivas, con sus
respectivos métodos para detectar los “síntomas” de
la máquina, y el historial del equipo para saber como
ha sido su funcionamiento en el pasado.
Figura 2: Esquema de una pala
electromecánica.
La maquinaria inferior sirve de base para el bastidor
rotatorio y contienen el equipo necesario para
propulsar la pala.
El puente giratorio incluye, el bastidor rotatorio, el
depósito de lastre y la casa de máquinas,
conteniendo esta última, toda la maquinaria
necesaria para las funciones de levante, giro y
empuje, como asimismo, los controles para
comandar las operaciones mecánicas. La casa de
máquinas dispone además, de una sistema filtrador
de aire para reducir al mínimo la acumulación de
calor y polvo en su interior. La cabina del operador
va montada en posición elevada sobre la casa de
máquinas y contiene todos los controles para operar
la pala.
empuje. El esquema muestra el detalle de una
maquinaria de empuje.
El equipo frontal, ubicado en la parte delantera de la
pala, comprende el caballete "A", el balde
excavador, el brazo del balde, la pluma, los cables
móviles y los tirantes estructurales de la pluma.
Las
palas
electromecánicas
tienen
un
funcionamiento
bien
característico.
Están
compuestas de varias maquinarias o transmisiones
mayores, donde cada una de éstas se podría describir
como una gran caja reductora, ya que a través de una
configuración de varios engranajes, reducen la
velocidad de giro que entrega un motor eléctrico,
para transmitir la potencia a unos tambores que
enrollan unos cables o a los ejes motrices para el
desplazamiento. Estas maquinarias mayores dan las
funciones de levante, giro, empuje y propulsión.
Maquinaria de levante (Hoist)
La máquina de levante es la encargada de elevar o
bajar el balde. Para eso, acciona un motor eléctrico y
a través de un tren de engranajes, acciona un tambor
que enrolla los cables de acero que van hacia el
balde y la pluma.
La maquinaria de levante la constituye, un motor
eléctrico, un tren de engranajes, freno del tipo de
disco y de un interruptor limitador que evita que el
extremo del balde tope con las poleas del extremo
superior de la pluma.
El tren de engranajes está compuesto por un eje
motor que va unido, a través de una acoplamiento, al
motor eléctrico. Este eje tiene un piñón helicoidal de
doble sentido, que engrana con el eje intermedio,
que acciona el engranaje intermedio. Este último
engranaje, acciona al engranaje de levante que va
unido al tambor de levante.
Maquinaria de empuje (Crowd)
La máquina de empuje o sistema crowd, es la
encargada de empujar o recoger la pluma. Para eso,
acciona un motor eléctrico y a través de un tren de
engranajes, acciona un tambor que enrolla los cables
de acero que van hacia el caballete "A" y la pluma.
La maquinaria de empuje la constituye un motor
eléctrico, un tren de engranajes, freno del tipo de
disco y de un interruptor limitador, que previene y/o
reduce los impactos entre los topes del brazo del
balde y el caballete de soporte, al empujar o retraer
el sistema.
El tren de engranajes esta compuesto por un eje
motor que va unido, a través de una acoplamiento, al
motor eléctrico. Este eje tiene un piñón helicoidal
simple, que engrana con el primer eje intermedio
que acciona al primer engranaje intermedio. Esto se
repite con el segundo eje intermedio y acciona al
engranaje del tambor que está en el tambor de
Figura 3: Esquema de la maquinaria de empuje
(CROWD).
Maquinaria de giro (Swing)
La máquina de giro o sistema swing, es la encargada
de hacer girar el puente sobre la maquinaria inferior.
Para ello la pala tiene una unidad de giro a cada uno
de sus costados. Estas dos unidades son idénticas,
exceptuando la posición del motor de giro en cada
caja de engranajes.
La maquinaria de giro, se compone de un motor
acoplado al eje intermedio que va a una caja de
engranajes tipo normal o tipo planetarios, la que a su
vez acciona el eje vertical. El motor lleva montado
un freno del tipo de disco.
Maquinaria de propulsión (Propel)
La maquinaria de propulsión o sistema propel, se
compone de dos unidades separadas, una de las
cuales acciona la oruga derecha y la otra la oruga
izquierda. Cada unas de estas unidades consiste en
un motor acoplado a una caja de engranajes tipo
normal o tipo planetarios, la que a su vez acciona el
eje de mando de la rueda motriz de la respectiva
oruga. Cada motor lleva montado un freno del tipo
de disco, y un soplador común proporciona aire de
enfriamiento a ambos motores.
Esta transmisión es la menos usada en comparación
a las otras transmisiones, pero es la que más "sufre"
cuando se utiliza, debido a la gran masa que mueve.
Al estudiar las maquinarias principales de las palas,
como en el esquema anterior, se ve que los
elementos críticos de cada transmisión son los
rodamientos, engranajes y motores eléctricos.
Las fallas características de estos elementos en las
palas, son debido al ambiente adverso en que
trabaja. En general, los rodamientos y engranajes
fallan por una temprana fatiga, debido a las
partículas duras de polvo que están entre las pistas
de rodaduras, en los rodamientos, o en los flancos,
en los engranajes. También, la suciedad produce
desbalanceamiento en los motores eléctricos. Otro
motivo de falla es por la lubricación inadecuada, ya
que el aceite, y la grasa en general pierden sus
propiedades, debido a
contaminación con agua.
la
suciedad
o
a
la
magnitud medida. Para realizar esto, se utiliza los
sensores o transductores. Hay que tener cuidado en
utilizar el sensor adecuado y especialmente con un
rango de frecuencia adecuado, ya que si la medida
esta fuera del rango del sensor, este no lo registrará.
Etapa de acondicionamiento: Aquí se acondiciona la
señal eléctrica, sea amplificándola para que tenga
suficiente potencia para ser captada, bajando la
impedancia de manera que al conectarlas a un
medidor no varíe su valor, demodularla,
integrándola, etc.
Figura 4: Engranaje intermedio dañado de la
maquinaria de levante hoist.
TECNOLOGIAS PREDICTIVAS.
A continuación se describen las tecnologías, que
ayudan en el mantenimiento predictivo, y sus
métodos de utilización, que pueden servir en las
palas electromecánicas. Los métodos se describen,
en forma general y se indican sus aplicaciones más
comunes en las palas. El objetivo es mostrar su
existencia y no aprender su utilización.
Análisis de vibraciones (Saavedra, 1998)
Las vibraciones son el movimiento oscilatorio de
una máquina o estructura, alrededor de su posición
original de reposo o de equilibrio. El análisis de las
vibraciones estudia el estado de la máquina en
funcionamiento, pudiéndose detectar algún tipo de
falla.
Las vibraciones pueden ser ocasionadas por las
siguientes causas:
• Vibraciones propias al funcionamiento de la
máquina: son las vibraciones normales inherentes
al funcionamiento de la máquina. Por ejemplo,
frecuencia de engrane, frecuencia de pasos de los
alabes, etc.
• Vibraciones
generadas
por
condiciones
inapropiadas de funcionamiento: por ejemplo
vibraciones por cavitación en bombas.
• Vibraciones provenientes de otras máquinas.
• Vibraciones generadas por fallas en la máquina:
por
ejemplo
desalineamiento,
solturas,
rozamientos, etc.
Para realizar un análisis de vibraciones, primero se
debe adquirir o medir la vibración emitida por una
máquina. Para ello existe una cadena de medición
típica con este propósito. Esta cadena la componen
las siguientes etapas.
Etapa transductora: Aquí se transforma la vibración
mecánica a medir (desplazamiento, velocidad,
aceleración) en una señal eléctrica proporcional a la
Etapa de procesamiento: En esta etapa se procesa la
señal con diferentes técnicas, con el fin de rescatar
toda la información de la señal medida. Aquí se
puede filtrar, analizar en diferentes dominios, ya sea
tiempo o frecuencia, medir los valores picos o
calcular el RMS de la señal, etc.
Etapa de registro: En esta etapa se puede almacenar
la señal en un computador o realizar gráficos.
Otra forma de adquirir una señal vibratoria para
luego ser analizada es a través de una grabadora
digital o análoga que registra la vibración en terreno
y luego procesa cuantas veces uno quiera.
El procesamiento de las vibraciones se realiza en un
analizador de vibraciones, que es un instrumento que
descompone la señal global captada por un sensor de
vibraciones, en sus componentes frecuenciales que
la forman.
A continuación se detallan algunas técnicas o
métodos del análisis de vibraciones especiales para
ser aplicadas a las palas. Hay que mencionar que
estas técnicas no son las comúnmente conocidas
como el análisis frecuencial, análisis de la forma de
onda y el análisis de fase.
Análisis
de
vibraciones
promediadas
sincrónicamente en el tiempo.
El promedio sincrónico en el tiempo es una técnica
que recolecta señales en el dominio tiempo, las que
son sincronizadas mediante un pulso de disparo o de
referencia
repetitiva
(trigger).
Una
señal
sincronizada con un pulso de referencia significa que
el inicio de la señal comienza cuando se activa dicho
pulso. Estas señales sincronizadas son entonces
promediadas en el dominio tiempo. Esta técnica
tiene como finalidad separar en el dominio tiempo
las componentes que son sincrónicas con el pulso de
referencia usado, de las componentes que no son
sincrónicas con dicho pulso.
Como precaución hay que asegurarse que el trigger
utilizado sea estable y repetitivo. Si no lo es,
producirá desviaciones aleatorias en la regularidad
de la duración del pulso, generando perdidas de
datos y la forma de onda en el tiempo no
representará la verdadera vibración sincrónica.
Algunas aplicaciones del promedio sincrónico en el
tiempo son:
• Permite separar vibraciones de origen mecánico o
eléctrico en el espectro vibratorio de motores de
inducción, sea utilizando el trigger a 1x rpm del
motor o a la frecuencia de la línea.
• Permite aumentar significativamente la razón
señal/ruido. Permite ver en el espectro sincrónico,
pequeñas componentes escondidas en el ruido
aleatorio en los espectros normales.
•
Permite separar del resto de las vibraciones, las
vibraciones que provienen del engrane, efecto de
ranuras en motores de inducción, etc.
Análisis de las modulaciones en amplitud y
frecuencia. Análisis de la envolvente. Análisis de
demodulaciones.
Es una técnica que permite analizar señales
moduladas en amplitud y frecuencia. Esto es útil, ya
que algunas fallas generan este tipo de señales. El
análisis de envolvente, es una técnica para analizar
los cambios de amplitud de las señales vibratorias,
en especial, determinar si estos cambios son
periódicos o aleatorios y si son periódicos
determinar su frecuencia de repetición. Esto permite
en muchos casos determinar en forma más fácil la
causa de la falla.
Los casos donde se producen vibraciones
moduladas, son en los rodamientos dañados,
engranajes defectuosos (excéntricos, desalineados,
dientes agrietados o con errores geométricos) y
problemas eléctricos en motores.
Este método también es aplicado para capturar ondas
de esfuerzos. El procedimiento más común para
implementar la demodulación es:
1. Pasar la señal por un filtro pasa alto. (Para analizar
la parte del espectro a analizar).
2. Aplicar ganancia apropiada a la señal filtrada.
3. Rectificar la señal.
4. Pasar la señal a través de un filtro pasa bajo para
separar las bajas frecuencias moduladoras de las
altas frecuencias de la portadora. (El filtro pasa
bajo empleado, generalmente es el filtro
antialiasing configurado cuando se define la banda
de análisis).
Análisis de vibraciones en máquinas de baja
velocidad.
Se entiende por máquina de baja velocidad aquellas
máquinas que giran entre 300 cpm (5Hz) y el límite
más pequeño de medición posible. La medición de
vibraciones de baja frecuencia requiere de técnicas y
equipos especiales, que puedan analizar bajas
frecuencias, para obtener resultados satisfactorios.
Además, es recomendable que para máquinas bajo
100 cpm, aparte de realizar el espectro frecuencial,
también se realice la forma de onda.
Se debe seleccionar un sensor adecuado para la
medición. El sensor generalmente usado para bajas
velocidades, son los acelerómetros, ya que los
velocímetros miden sobre los 600 cpm y el sensor de
desplazamiento, para bajas frecuencias, solo mide
vibraciones relativas. Como es característico en los
sistemas mecánicos, la aceleración de las
vibraciones a bajas frecuencia son pequeñas, por ese
motivo que deba usarse un acelerómetro de bajo
ruido para que la vibración no quede escondida en el
ruido propio del sensor.
Se recomienda usar un acelerómetro con
sensibilidad de 500 mV/g para máquinas que giren
entre 30 a 300 cpm, y una sensibilidad de 1V/g para
máquinas que giren bajo los 30 cpm. Esto es para
bajar el nivel de ruido. Normalmente, para obtener
buenas mediciones, se debería mantener al menos
una razón señal/ruido de 5:1. Por otro lado, un
acelerómetro de gran sensibilidad, por ejemplo 10
V/g, es bueno para la relación señal/ruido, pero
tienen los problemas de ser extremadamente
delicados, grandes y de baja frecuencia natural.
Mientras menor es la velocidad de rotación de la
máquina, menor es el efecto de volante que efectúa
el rotor, lo que trae como resultado que la máquina
tenga una pobre estabilidad de velocidad de
rotación. Esto combinado con el gran tiempo de
adquisición de datos que se requiere, hace que
frecuentemente las componentes espectrales se
dispersen, haciendo difícil su interpretación.
Análisis de vibraciones en máquinas de velocidad
variable.
Se utiliza esta técnica, para analizar las vibraciones
en máquinas de velocidad variable o en el análisis de
parada o partida de un equipo. Para ello existen dos
técnicas: análisis de cascada y el análisis con ajuste
de la velocidad (tracking analysis).
La primera técnica se basa en que la señal es
analizada, dividiéndola en un conjunto de pequeñas
señales, casi estacionarias (frecuencia de traslapo, en
cada uno de los cuales, la velocidad es
aproximadamente constante). Estos resultados son
representados a través de un gráfico de cascada
(waterfall ó cascade), donde el tiempo o velocidad
de giro están en el eje de tercera dimensión. En estos
gráficos son fácilmente separadas las componentes
que cambian su frecuencia con la velocidad de la
máquina, de aquéllas que permanecen a una
frecuencia constante, independiente de la velocidad
de rotación de la máquina, por ejemplo, resonancias
o vibraciones provenientes de otras máquinas.
La segunda técnica de análisis de una vibración no
estacionaria, es usando un filtro seguidor o tracking
filter, sintonizado con la velocidad del eje y registrar
los resultados versus la velocidad de rotación de la
máquina. Si se utiliza además un medidor de fase, es
posible registrar tanto la fase, como la amplitud en
función de la velocidad de rotación de la máquina,
para obtener el diagrama de Bodé.
Otra técnica que se está empezando a utilizar,
aunque no esta implementada en los analizadores
comerciales, son las Transformadas tiempofrecuencias. Estas transformadas de gran éxito en
otras áreas de la Ingeniería (electrónica, radar, etc.),
permite obtener la distribución de energía de una
señal en el plano conjunto del tiempo y la
frecuencia. Esto significa que podemos ver las
variaciones en el tiempo de las componentes
frecuenciales de la señal.
Análisis Peak Value. Análisis S.E.E.
Estos métodos consisten básicamente en medir y
analizar ondas de esfuerzos generadas en un metal
como resultado de impactos de metal con metal,
grietas por fatigas, desgaste abrasivo, descostrado
(spalling), etc.
El análisis de valor pico (peak value), consiste en
reemplazar los valores instantáneos tomados para
cada intervalo de muestreo, por el valor máximo que
ocurre en el más reciente intervalo de tiempo.
Análisis de aceite (Troyer, 1995), (Saavedra, 1998)
El análisis de aceite es una de las técnicas más
importantes en el mantenimiento predictivo. De
hecho, se puede catalogar como la segunda
herramienta más importante, luego del análisis de
vibraciones.
Los objetivos por lo que se realiza un análisis de
lubricante son los siguientes.
• Control de la degradación del lubricante.
• Monitorear daño mecánico de componentes.
(Desgaste).
• Control de contaminación por sólidos, fluidos o
gases.
• Verificar que se está usando el lubricante
adecuado.
Control de la degradación del lubricante.
Como el lubricante desempeña varias funciones
como el control del desgaste, de la corrosión,
temperatura, aislamiento eléctrico, transmisión de
potencia en máquinas hidráulicas, amortiguación de
choques y remoción de contaminantes; es primordial
que se encuentre en óptimas condiciones, y para ello
se realiza un control para saber verificar sus
propiedades, como son la viscosidad, contenido de
agua, grado de oxidación, etc. Los problemas más
comunes que presentan los aceites lubricantes
usados son:
• Oxidación con formación de ácidos que atacan y
corroen los metales y polímeros de altísimo peso
molecular.
• Contaminación sólida o fluida. La contaminación
por agua es indeseable porque promueve la
corrosión y la formación de barros, espumas y
emulsiones.
• Agotamientos de aditivos.
Monitoreo del daño mecánico de componentes.
Análisis de residuos.
La ventaja de monitorear los residuos de un fluido,
es que éste es un verdadero circuito de
comunicación entre las diferentes partes del sistema
mecánico. Existe una alta probabilidad de obtener la
evidencia de fallas, de una variedad de elementos,
desde un punto donde se realiza el monitoreo. En
algunos casos esto puede ser una desventaja, pues la
ubicación precisa de una falla no es inmediatamente
identificada.
Existen varios tipos de monitoreo del daño
mecánico, por ejemplo el análisis espectrométrico y
la ferrografía analítica y directa.
El
análisis
espectrométrico,
espectrometría,
espectrofotometría o espectroscopía de los residuos
de aceite, determinan que elementos están presentes
en él y sus concentraciones. Esto tiene muchas
ventajas en la determinación de su origen. La gran
limitación de este análisis es que los tamaños que
detecta son menores a 10 micras, y además, detecta
solo a veinte metales puros diferentes.
La ferrografía analítica es una técnica física, la cual
cuantifica y caracteriza la cantidad de desgaste en el
sistema. Para ello, analiza las concentraciones, los
tamaños y la morfología de las partículas de
desgaste. Con estos datos se puede llegar a
determinar el mecanismo de desgaste que esta
sufriendo la máquina.
Termografía infrarroja (Snell, 1995)
La termografía Infrarroja es una técnica, no
destructiva y sin contacto, por medio de la cual, se
hace visible la radiación termal o energía infrarroja
que un cuerpo emite o refleja. Esto permite
visualizar las distribuciones superficiales de
temperatura.
Actualmente,
existen
equipos
termográficos que son muy sensibles a las
diferencias de temperatura, pudiendo llegar a
discriminar décimas de grados Celcius o menos.
Además tienen un rango amplio de temperatura de
-20°C a 1500°C.
Generalmente, cuando un equipo, o un elemento de
él, aumenta de temperatura sin ninguna explicación
aparente, quiere decir que en él posiblemente hay
una falla. Las fallas típicas que hacen aumentar la
temperatura son la fricción, exceso o falta de
lubricante, chispas eléctricas, etc.
En equipos mecánicos se pueden detectar
rodamientos defectuosos y sobrecargados, fricción
excesiva en superficies deslizantes, lubricación
inadecuada en engranajes y rodamientos,
desalineamiento en acoplamientos y resbalamiento
en embragues y frenos.
En equipos eléctricos se puede detectar
sobrecalentamiento en motores, fallas en
conexiones, desbalances de corriente en circuitos
trifásicos, fallas en escobillas, falta de aislación en
cables eléctricos, etc.
Detección de ultrasonido (Morton, 1995)
La detección por ultrasonido es una técnica que se
usa para detectar componentes a frecuencias
ultrasónicas o de altas frecuencias. Este tipo de
frecuencias son emitidas en varios casos por los
sistemas mecánicos y eléctricos cuando comienzan a
fallar o cuando surgen anomalías en el
funcionamiento. La gran ventaja de esta técnica es
que detecta en forma incipiente una falla, en cambio
el análisis de vibraciones, detecta la falla cuando ya
esta formada y causando alteraciones.
• Detectar si la corriente está balanceada entre las
tres fases: consiste en comparar la amplitud de la
corriente eléctrica en cada una de las tres fases. En
general, la corriente en cada fase no deberá diferir
entre ellas en más de un 3%. El origen de un
problema así, se debe a un alambrado incorrecto
en el estator, espiras o laminaciones en
cortocircuito.
• Detectar bandas laterales alrededor de la
frecuencia de la línea, para identificar barras del
rotor rotas o agrietadas. Esto puede ser producidos
por barras rotas o agrietadas, anillos extremos del
rotor rotas y en problemas de alambrado en el
rotor en motor de inducción de anillos partidos.
A continuación se describirá las principales
aplicaciones y fallas que son posibles detectar con el
método ultrasónico:
• Detectar bandas laterales alrededor de la
frecuencia de paso de las ranuras para identificar
rotores no concéntricos con el estator. Esto se debe
por un entrehierro variable, es decir, una
excentricidad estática o dinámica.
Descargas eléctricas: Los equipos eléctricos, cuando
tienen malas conexiones o tienen mal aislamiento,
emiten ondas de altas frecuencia. También es
detectado el efecto corona eléctrica, que es cuando
se ioniza el entorno de un conductor por un exceso
de voltaje. Además, cuando la electricidad fluye por
el espacio, produciéndose el fenómeno de arco
eléctrico, también emiten ondas ultrasónicas.
ANALISIS DE UNA PALA
Se dice que el funcionamiento de una pala es
particular, debido a la forma en que trabaja. Una
pala trabaja con ciclos cortos, con velocidad de
rotación baja y variable, además de una carga
variable. Bajo estas condiciones de funcionamiento
transientes, es difícil de analizar las mediciones de
vibraciones.
Fallas en los rodamientos: Cuando un rodamiento
comienza a fallar, desarrollando pequeñas picaduras,
se producen impactos que excitan las frecuencias
naturales de los elementos del rodamiento. Estas
frecuencias naturales son de altas frecuencias y se
detectan con el equipo de ultrasonido. También la
falta o el exceso de lubricante se puede detectar por
ultrasonido.
Los ciclos cortos de trabajo son debido a lo simple
del proceso, ya que se llena el balde y se carga en el
camión. Los movimientos son por ejemplo, subir y
bajar el balde, o mover para adelante o para atrás la
pluma. Esto demora algunos segundos.
Análisis de corriente
El análisis de corriente, es una herramienta de apoyo
al análisis vibratorio en la evaluación de la
condición de motores de inducciones. El análisis de
corriente consiste en medir la corriente, mediante un
amperímetro de tenazas alrededor de cada una de las
fases del motor ensayado a la vez. La corriente
medida se introduce entonces al analizador de
vibraciones para su estudio.
Se debe tener presente, que existen problemas
mecánicos
como
el
desbalanceamiento,
desalineamiento o flexión del eje, que hacen que el
entrehierro varíe entre el rotor y estator, produciendo
un síntoma de falla eléctrica, siendo en verdad, un
problema de origen mecánico. Por este motivo,
cuando se analice un motor eléctrico con un análisis
de corriente, primero se debe conocer los orígenes
de los problemas mecánicos.
Los objetivos del análisis de corriente son:
La velocidad de rotación es baja, debido a las
grandes masas que se trasladan. Para una mayor
velocidad se necesitarían motores con mucha más
potencia. Además, el movimiento de traslación de la
pala es muy lento. En las palas hay ejes que giran
apenas con 5 a 9 cpm. Esto trae consigo problemas
de limitaciones de rango de frecuencia de los
sensores, aceleración en bajas frecuencias, donde las
componentes se esconden en el ruido por ser muy
pequeñas. Esta es una característica de la aceleración
de los sistemas mecánicos.
La velocidad de rotación es variable, debido a lo
corto del trabajo. La pala está programada para
trabajar a una velocidad de rotación determinada, es
decir, la pala acelera con un determinado valor y no
alcanza a llegar a su velocidad cuando ya tiene que
parar, debido a lo corto del ciclo. Esto tiene la
desventaja de no tener una velocidad de giro
constante lo que dificulta el análisis frecuencial.
La carga es variable, debido al porte del material que
levanta. Cuando son rocas pequeñas, levanta más
carga, ya que llena más el balde que una gran roca.
Por ese motivo, cada palada tiene una masa diferente
de material. El problema de esta condición, es que a
diferentes cargas, las deformaciones en los dientes
de los engranajes son mayores y se pierde más el
perfil de evolvente de ellos. Esto trae consigo el
aumento de las amplitudes de las vibraciones.
La figura 5 muestra la curva de velocidad de un
ciclo de trabajo.
son las de trabajo. El desafío y la tecnología
existente, permite poder realizar mediciones en las
condiciones de trabajo verdaderas.
ANALISIS DE RESULTADOS
A continuación se mostrará un ejemplo práctico de
un análisis de vibraciones realizado a un eje de la
maquinaria de levante, con el método de tracking
analysis.
Los datos que se escriben, pertenecen a una pala
electromecánica de marca Bucyrus modelo 495-B.
Esta pala es una de las más usada en la industria
minera para la extracción de material.
En la figura 7 se muestra un esquema de la
transmisión de levante y datos característicos de ella.
Figura 5: Curva de velocidad de un ciclo de trabajo.
Por estas características de su funcionamiento, el
análisis de datos en una pala es difícil, y hace que el
mantenimiento predictivo no de los resultados
esperados, sino se usan las técnicas apropiadas.
Para poder realizar mediciones en las palas, se debe
primero, cumplir unas condiciones que aseguren que
las mediciones estén correctas. Estas condiciones se
refieren en general a la corrección de la variabilidad
de la velocidad y la carga.
Una forma de solucionar el problema de velocidad
variable es realizar las mediciones con velocidad
constante. Para esto se debe bajar la velocidad de
rotación programada de la pala. Así, se obtiene un
tramo de velocidad más o menos constante, pero
esto trae consigo que la aceleración y parada de los
ciclos sea más bruscos.
Esta situación, de acondicionamiento de la velocidad
para que no sea variable, se muestra en la figura 6:
Figura 7: Esquema de la maquinaria de levante
(Hoist).
Motor de levante (hoist)
Tipo de motor:
Inducción
Potencia:
2240
Velocidad de rotación:
799
Datos eléctricos:
1578
700
Número de pares de polos:
3
Número de ranuras estator:
72
Número de barras rotor:
58
Nombre del
engranaje
Piñón del motor.
Eng. Intermedio.
Piñón intermedio.
Eng. de levante.
Figura 6: Curva modificada de velocidad de un ciclo
de trabajo.
La otra condición de medición, es la carga de
trabajo. Para poder realizar mediciones a igual carga,
se debe medir con el balde vacío. Esto no es muy
real, pero práctico.
En resumen, bajo estas dos condiciones se puede
simplificar el análisis de las mediciones, aunque no
Hp
rpm
A
VAC
Par
ranuras
barras
Engranajes
Tipo engranaje
N° de
dientes
Helicoidal doble. Z1=16
Helicoidal doble. Z2=168
Helicoidal simple. Z3=17
Helicoidal simple. Z4=146
A continuación se muestra un análisis frecuencial
del primer eje de la maquinaria de levante. El punto
de medición está en uno de los descansos del eje
motriz (descanso 3).
Datos del análisis de vibraciones
Tipo de sensor:
Acelerómetro
Sensibilidad del sensor:
0.1 V/G-s
Rango de frecuencia en el espectro: 0-4000 Hz.
Número de líneas:
1600 líneas
Números de promedios:
4
Modalidad de medida:
Order tracked
Al analizar el espectro y la forma de onda en figura
8, de las vibraciones en el descanso 3 se detectan los
problemas que se presentan a continuación.
Al analizar la forma de onda, se puede apreciar una
vibración modulada en amplitud que es típica de
engranajes con un grado de excentricidad o con el
eje flectado. Esto se puede apreciar mejor en figura
9.
En el análisis espectral primero hay que ubicar las
componentes normales a su funcionamiento. Estas
son las frecuencias de engrane y sus armónicos y la
velocidad de rotación. La frecuencia de engrane
tiene como valor para el engrane en el primer eje:
fe1= Z1 * rpm1
Donde Z1 es el número de dientes.
La componente de la frecuencia de engrane, igual a
16 veces la velocidad de rotación y sus armónicas
son claramente detectadas en el espectro
Esto se aprecia en el espectro ampliado de figura 10.
Por otro lado, se ve en el espectro en frecuencia,
componentes en los armónicos de 100 veces la
velocidad de rotación. Al analizar individualmente
cada grupo de armónicos, se ve que es una señal
modulada con una separación entre las bandas
laterales de 4 veces la velocidad de rotación. Esto
aparentemente son componentes anormales de
origen desconocido. (Figura 11)
Estas componentes sin razón aparente, no tienen
porqué ser provenientes de los engranajes, lo que
lleva a analizar vibraciones en los otros descansos.
Así, en el descanso 2, del lado carga del motor, se
encontraron las mismas componentes, con la misma
separación de entre ellas, pero con mayor amplitud.
Por lo que se concluye que el origen de esas
vibraciones provienen de una falla del motor.
0.04
0.03
0.02
0.01
100
200
300
400
500
Frequency in Order
600
700
800
ROUTE WAVEFORM
22-JUN-99 13:02:03
(Order Tracked)
RMS = .1116
PK(+) = .3658
PK(-) = .3021
CRESTF= 3.28
0.4
0.3
0.2
0.1
-0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
SH - Motor Reductor Hoist Pala 57
SH57HO -A3H Aceleración Pto.3 Horizontal
0.020
Route Spectrum
22-JUN-99 13:02:03
(Order Tracked)
OVRALL= .1143 A-DG
RMS = .0609
CARGA = 100.0
RPM = 300.
RPS = 5.00
0.016
RMS Acceleration in G-s
ROUTE SPECTRUM
22-JUN-99 13:02:03
(Order Tracked)
OVRALL= .1143 A-DG
RMS = .1137
CARGA = 100.0
RPM = 300.
RPS = 5.00
0
Acceleration in G-s
n fe
, con n = 1,2,3, ...
8
SH - Motor Reductor Hoist Pala 57
SH57HO -A3H Aceleración Pto.3 Horizontal
0.05
0
0.012
0.008
0.004
0
0
20
40
60
Time in mSecs
80
100
0
Figura 8: Espectro en frecuencia y forma de onda del
descanso 3.
RMS = .1057
CARGA = 100.0
RPM = 300.
RPS = 5.00
0.2
0.1
PK(+) = .3658
PK(-) = .3021
CRESTF= 3.28
-0.0
-0.1
40
60
80
Frequency in Order
100
120
SH - Motor Reductor Hoist Pala 57
SH57HO -A3H Aceleración Pto.3 Horizontal
0.0030
Route Waveform
22-JUN-99 13:02:03
(Order Tracked)
0.3
20
Figura 10: Ampliación del espectro en frecuencia del
descanso 3.
SH - Motor Reductor Hoist Pala 57
SH57HO -A3H Aceleración Pto.3 Horizontal
0.4
Acceleration in G-s
Esto hace que el engrane sea propenso a generar
componente subarmónicas de la frecuencia de
engrane, es decir, se generan componente a:
Route Spectrum
22-JUN-99 13:02:03
(Order Tracked)
OVRALL= .1143 A-DG
RMS = .0030
CARGA = 100.0
RPM = 300.
RPS = 5.00
0.0024
RMS Acceleration in G-s
RMS Acceleration in G-s
A baja frecuencia el espectro tiene varias
componentes juntas entre ellas. Analizando la razón
de engrane, se concluye que los engranajes tienen un
factor en común 8.
Z1
2 *8
4*4
8*2
=
=
=
Z 2 2 * 84 4 * 42 8 * 21
0.0018
0.0012
-0.2
0.0006
-0.3
0
-0.4
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Time in mSecs
Figura 9: Ampliación de la forma de onda para ver
la modulación en amplitud.
560
570
580
590
600
610
Frequency in Order
620
630
640
Figura 11: Ampliación del espectro en frecuencia del
descanso 3 para apreciar las modulaciones.
CONCLUSIONES
Se puede concluir que el mantenimiento predictivo,
aplicado correctamente en la palas electromecánicas
de la minería, es una gran ayuda para aumentar la
disponibilidad de la máquina de extracción del
mineral, además de disminuir sus costos de
mantención.
REFERENCIAS
Drago, R., Fundamentals
Butterworths, 1988.
Los costos a mediano plazo comienzan a disminuir,
debido a la reducción del inventario de repuestos, a
la minimización de tiempos improductivos
productos de las fallas y a evitar fallas mayores
cuando un problema se detecta a tiempo. Esto es a
pesar del elevado costo inicial, debido a la
adquisición de equipos, capacitación de trabajadores
y/o implementación de un laboratorio de análisis de
aceite.
Ritzel, T. y Lenz, M., Shovel Maintenance at
Sierrita, revista Mining engineering, octubre 1997,
pp. 29-34.
Para un mantenimiento predictivo exitoso, es
esencial conocer bien la implementación de las
técnicas predictivas y sobre todo, conocer las
máquinas tanto en su funcionamiento como en sus
elementos de máquinas. También es importante
saber la causa y modos de fallas que puede presentar
los diferentes elementos la máquina.
DESAFIOS
Como desafío para desarrollar en el futuro sería,
hacer las mediciones en condiciones reales, sin
alterar las velocidades normales de funcionamiento
y además, con carga en el balde, es decir, con carga
variable. Con esto se realizará un mantenimiento
predictivo acertado, adquiriendo mediciones en las
condiciones reales de trabajo, y no disminuirá la
extracción de mineral mientras se efectúan las
mediciones.
Otro desafío, es la implementación de un sistema de
medición que se transfiera por telemetría, es decir,
medición de datos a distancia. Esto es muy útil ya
que se puede monitorear constantemente la pala
trabajando y sobre todo, como seguridad, ya que el
lugar donde se toma los datos es muy peligroso e
incómodo de trabajar.
of
Gear
Desing,
Mohr, G., Technology Overview: Ultrasonic
Detection, revista P/PM Technology, agosto 1995,
vol 8, N° 4, pp. 56-61.
Saavedra, P., Análisis de Vibraciones de Máquinas
Rotatorias, NIVEL I, “Bases del Mantenimiento
Predictivo y del Diagnóstico de Fallas en Máquinas
Rotatorias”, Departamento de Ingeniería Mecánica,
Facultad de Ingeniería, Universidad de Concepción.
1998.
Saavedra, P., Análisis de Vibraciones de Máquinas
Rotatorias, NIVEL II, “Diagnóstico de Fallas en
Máquinas Rotatorias Mediante Análisis de
Vibraciones”,
Departamento
de
Ingeniería
Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de
Concepción. 1998.
Saavedra, P., Análisis de Vibraciones de Máquinas
Rotatorias, NIVEL III, “Métodos de Diagnóstico de
Fallas Avanzado y Técnicas de Reducción de
Vibraciones”,
Departamento
de
Ingeniería
Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de
Concepción. 1998.
Snell, J., Infrared Thermography: New Solutions for
Both Maintenance and Production Problems, revista
P/PM Technology, octubre 1995, vol 8, N° 5, pp.
54-58.
Steven, R., Motor Vibration Analysis: Key to
Effective Troubleshooting, Revista Power, Enero
1988, pp. 46 – 48, 1988
Troyer, D. y Fitch, J., An Introduction to Fluid
Contamination Analysis, revista P/PM Technology,
junio 1995, vol 8, N° 3, pp. 54-59.
Weaver, C., Time Waveform Analysis and Its
Usefulness in Gear Analysis, revista P/PM
Technology, octubre 1995, vol 8, N° 5, pp. 30-32.