Adquisición y Análisis de Vibraciones en Máquinas de Velocidad

Adquisición y Análisis de Vibraciones en Máquinas de Velocidad Variable
"Un sistema de adquisición como el que se ha
implementado resulta ser bastante conveniente
para el análisis de vibraciones de máquinas de
velocidad variable, tanto del punto de vista de su
funcionalidad y versatilidad, como del punto de vista
económico."
- J. Figueroa, Universidad de Concepción (www.dim.udec.cl/lvm)
El Reto:
El desafío planteado en este caso, es aplicar esta técnica en máquinas críticas de la minería que trabajan con grandes cambios en sus cargas y velocidades
generando vibraciones no-estacionarias.
La Solución:
El análisis espectral de las vibraciones es la técnica más usada hoy en día por los analizadores de vibración comerciales. En esta técnica cada componente
espectral se asocia a una fuerza dinámica que la genera, sea inherente al funcionamiento de ella o proveniente de una falla. Este análisis es adecuado por lo tanto a
vibraciones estacionarias. Cuando es aplicado a vibraciones provenientes de máquinas que trabajan a velocidad y carga variable, las componentes espectrales se
dispersan en el espectro haciendo imposible su análisis. Se requiere usar entonces otras técnicas de análisis, tales como el transformado tiempo-frecuencia o el
análisis de órdenes.
Lea el Caso de Estudio Completo
Autor(es):
J. Figueroa - Universidad de Concepción (www.dim.udec.cl/lvm)
E. Estupiñan - Universidad de Concepción (www.dim.udec.cl/lvm)
P. Saavedra - Universidad de Concepción (www.dim.udec.cl/lvm)
Introducción
Ha sido documentado en varias publicaciones la disminución de los costos de mantenimiento de máquinas que funcionan a velocidad y carga constante,
al implementar un mantenimiento predictivo basado en análisis de vibraciones. El desafío planteado en este caso, es aplicar esta técnica en máquinas
críticas de la minería que trabajan con grandes cambios en sus cargas y velocidades generando vibraciones no-estacionarias.
El análisis espectral de las vibraciones es la técnica más usada hoy en día por los analizadores de vibración comerciales. En esta técnica cada
componente espectral se asocia a una fuerza dinámica que la genera, sea inherente al funcionamiento de ella o proveniente de una falla. Este análisis es
adecuado por lo tanto a vibraciones estacionarias. Cuando es aplicado a vibraciones provenientes de máquinas que trabajan a velocidad y carga
variable, las componentes espectrales se dispersan en el espectro haciendo imposible su análisis. Se requiere usar entonces otras técnicas de análisis,
tales como el transformado tiempo-frecuencia o el análisis de órdenes.
La presente aplicación consiste en la creación de un analizador de vibraciones virtual que permita a través del análisis de órdenes analizar vibraciones
transigentes. Este analizador ha sido desarrollado en el Laboratorio de Vibraciones de nuestra Facultad utilizando un sistema de adquisición de datos
constituido por una tarjeta de adquisición de señales dinámicas PCI-4452 y un conector externo BNC-2120. Para la administración de datos se ha
desarrollado en LabVIEW un programa que permite leer y almacenar las señales provenientes de los sensores de vibración y de los pulsos del
tacómetro. Para el procesamiento de datos se ha confeccionado en LabVIEW otro programa que permite realizar el análisis de órdenes utilizando la
técnica del re-muestreo sobre la señal adquirida y finalmente aplicando la FFT se obtiene el espectro de la vibración en órdenes. En la figura 1, se
muestra el panel de control del VI principal con el cual se adquieren y re-muestrean los datos. Se pueden visualizar en el panel de control la señal de
vibración original, la señal de los pulsos tacométricos, la señal de vibración re-muestreada y el espectro de órdenes.
El análisis de órdenes obtenido por re-muestreo, consiste en adquirir simultáneamente tanto la señal de vibración como la señal de pulsos proveniente de
un sensor tacométrico a una frecuencia de muestreo constante (o lo que es equivalente a un paso de tiempo t, constante). Una vez adquiridas las
señales, comienza el proceso de re-muestreo, donde por medio de algoritmos de cálculo implementados en LabVIEW, se cambia la señal vibratoria del
dominio temporal al dominio angular (constante), usando como referencia la señal de pulsos entregada por un sensor tacométrico.
Finalmente, por medio de la FFT y con el uso del Toolset de análisis de vibraciones desarrollado por NI, se obtiene el espectro de la señal
re-muestreada, llamado el espectro de órdenes. En el espectro de órdenes las componentes se encuentran relacionadas directamente con la frecuencia
de giro del eje sobre el que se ha fijado la señal del tacómetro y por lo tanto, no se desparramarán en él. Esto permite al igual que en el análisis espectral
clásico, identificar las principales componentes presentes en el espectro y asociarlas a fuerzas dinámicas normales en la máquina o proveniente de
fallas.
A continuación se muestra la aplicación del análisis de órdenes para el análisis de las vibraciones provenientes de una pala mecánica utilizada en la
industria minera del cobre para cargar mineral a camiones de 340 Ton de capacidad. Estás son máquinas de gran envergadura, que por sus
requerimientos de operación y modo de funcionamiento, los diferentes mecanismos de transmisión que la componen varían su velocidad en todo
instante.
Vibraciones provenientes de estas máquinas han sido grabadas en terreno, para posteriormente analizarlas con el sistema de adquisición de datos
implementado en el laboratorio. Ellas han sido grabadas previamente utilizando una grabadora digital que permite almacenar en cintas magnéticas con
formato DAT señales con alta fidelidad y reproducirlas cuantas veces sea necesario para su posterior análisis. La figura 2 muestra las señales de la
aceleración vibratoria medida en el mecanismo de levante de la pala y de la variación de velocidad, determinada a partir de una señal de pulsos
sincrónicos con la velocidad de rotación del eje, generados de un tacómetro durante un ciclo completo de carga y descarga de mineral. Para esto se
utilizó la tarjeta PCI-4452 de NI, que permite adquirir simultáneamente ambas señales. En la figura 2, se puede observar la naturaleza transiente de la
vibración y los grandes cambios en la velocidad de rotación de la unidad. La figura 3 muestra el espectro de órdenes de la aceleración vibratoria obtenido
con los programas desarrollados en LabVIEW. En este espectro es posible identificar claramente (las componentes espectrales no se han dispersado en
el espectro a pesar de los grandes cambios de velocidad de la máquina mientras se adquirían los datos) las componentes a las frecuencias de engrane
de la primera y segunda reducción, marcadas en la figura con los cursores en color rojo y verde respectivamente. El monitoreo de estas componentes
permite determinar si se producen cambios en la condición mecánica de los engranajes.
Existen hoy en día muy pocos equipos comerciales que permitan realizar análisis de vibraciones de máquinas de velocidad variable y los existentes
tienen limitaciones respecto a la tasa de variación de la velocidad. Estos equipos no son por lo tanto los más adecuados para analizar vibraciones con
una gran tasa de variación de velocidad como sucede en las palas electromecánicas de la minería. El otro inconveniente que presentan es el alto costo
asociado a ellos.
Un sistema de adquisición como el que se ha implementado resulta ser bastante conveniente para el análisis de vibraciones de máquinas de velocidad
variable, tanto del punto de vista de su funcionalidad y versatilidad, como del punto de vista económico. Trabajando bajo la plataforma del LabVIEW se
tienen una gran flexibilidad, la cual permite que a futuro se puedan agregar al analizador virtual desarrollado nuevas técnicas de análisis de acuerdo a las
necesidades que se requieran. Esto no es posible con los programas y analizadores comerciales actuales.
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Información del Autor:
J. Figueroa
Universidad de Concepción (www.dim.udec.cl/lvm)
Edmundo Larenas No. 270
Concepcion 42600
Chile
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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