UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SALAMANCA ACTIVIDAD 3: REPORTE SOBRE PROBLEMS CAUSADOS POR LA VIBRACIÓN EQUIPO: CANO BANDA KAREN FLORES JUÁREZ JOSÉ URIEL GONZÁLEZ PATIÑO CRUZ FERNANDO JESÚS VICTORIA GODÍNEZ DAVID LEONARDO MATERIA: SISTEMAS MECÁNICOS II PROFESOR CARLOS MANUEL CORDOVA CAN GRADO Y GRUPO IMET 9°A SALAMANCA, GTO. 2 de Junio del 2021 1 INTRODUCCIÓN En las plantas de producción la gestión del mantenimiento se ha limitado casi siempre en el uso de métodos correctivos o preventivos. Sin dudas en los últimos años, con el desarrollo de nuevas tecnologías la industria mecánica se ha influenciado de la electrónica, la automática y las telecomunicaciones, exigiendo mayor preparación en el personal, no sólo desde el punto de vista de la operación de la maquinaria, sino desde el punto de vista del mantenimiento industrial. El siguiente paso en la tecnología de mantenimiento fue la llegada del mantenimiento predictivo, basado en la determinación del estado de la máquina en operación. Este mantenimiento está basado fundamentalmente en detectar una falla antes de que suceda. El mantenimiento predictivo usa varias disciplinas. La más importante de estas es el análisis periódico de vibraciones. Generalmente, la causa de la vibración reside en problemas mecánicos como son: Desequilibrio de elementos rotativos. Desalineación en acoplamientos. Engranajes desgastados o dañados. Rodamientos deteriorados. Fuerzas aerodinámicas o hidráulicas. Problemas eléctricos. Estas causas, como se puede suponer, son fuerzas que cambian de dirección o de intensidad y que se deben al movimiento rotativo de las piezas de la máquina, aunque cada uno de los problemas se detecta estudiando las características de la vibración. Las características más importantes de las vibraciones son: Frecuencia. Desplazamiento. Velocidad. Aceleración. Spike Energy (energía de impulsos). 2 DESARROLLO La frecuencia es una característica simple y significativa en este análisis, se define como el número de ciclos completos en un periodo de tiempo. La unidad característica es CPM (ciclos por minuto). Existe una relación importante entre frecuencia y velocidad angular de los elementos rotativos. La correspondencia entre CPM y RPM (ciclos por minuto -revoluciones por minuto) identificará el problema y la pieza responsable de la vibración. Esta relación es debida a que las fuerzas cambian de dirección y amplitud de acuerdo con la velocidad de giro (Figura 1). Los diferentes problemas son detectados por las frecuencias iguales a la velocidad de giro o bien múltiplos suyos. Cada tipo de problema muestra una frecuencia de vibración distinta. Figura 1. Relación entre vibración y el funcionamiento de la máquina. La amplitud de la vibración indica la importancia, gravedad del problema, esta característica da una idea de la condición de la máquina. Se podrá medir la amplitud de desplazamiento, velocidad o aceleración. La velocidad de vibración tiene en cuenta el desplazamiento y la frecuencia, es por tanto un indicador directo de la severidad de vibración. La severidad de vibración es indicada de una forma más precisa midiendo la velocidad, aceleración o desplazamiento según el intervalo de frecuencias entre la que tiene lugar, así para bajas frecuencias, por debajo de 600 cpm, se toman medidas de desplazamiento. En el intervalo entre 600 y 60000 cpm, se mide velocidad, y para altas frecuencia, mayores a 60000 cpm, se toman aceleraciones. 2.1 Desequilibrio de elementos rotativos Esta es una de las causas más probable de que exista vibración en las máquinas, en casi todos los elementos es fácil encontrar un pico en el gráfico de amplitud frente a frecuencia, que denote un pequeño desequilibrio Todos los elementos rotativos son siempre fuentes potenciales de vibraciones mecánicas. El desequilibrio de distribución de la masa de rotores es una de las más frecuentes, ya que sólo cuando el eje de giro coincida con el de gravedad (dirección central de inercia en rotación), las fuerzas de inercia no producirán ninguna acción centrífuga perturbadora en los cojinetes o rodamientos de apoyo. En la práctica, esto es realmente imposible de lograr por muy estrictas que sean las tolerancias de fabricación, ya que la homogeneidad del material no es absoluta debido a la existencia de oclusiones de gases, diferentes temperaturas en la masa, etc., por lo tanto, aunque el proyecto de una máquina rotativa sea perfecto, en su ejecución aparecen desequilibrios que se necesita corregir a posteriori. El límite aceptable para el desequilibrio residual permisible es realmente imposible de determinar con carácter general, ya que se trata más bien de una solución de compromiso entre el costo de la tarea de equilibrado y las molestias o riesgos que la vibración originada por ese desequilibrio producen en las personas que han de permanecer en el área de trabajo de la máquina, además de los daños inherentes a la vibración y la consiguiente fatiga mecánica en los cojinetes y demás componentes de la máquina. En la actualidad, existen normativas sobre la calidad de los trabajos de equilibrado o desequilibrio residual permisible, tales como la norma internacional ISO 1940. Las nuevas tendencias en mantenimiento, Mantenimiento Basado en Fiabilidad (RBM) o Mantenimiento Productivo Total (TPM), incluyen en su filosofía la mejora continua y el aumento de la vida útil de los equipos, para lo cual se requiere mantener los equipos industriales con un bajo nivel de vibración y, por tanto, unas buenas condiciones de equilibrado durante su operación. En muchas plantas industriales tales como papeleras o laminadores de acero, el desequilibrio de algún elemento (rodillo) de la línea (prensas rotativas, batería de secadores, tren de laminación, etc.) de producción afecta sustancialmente a la calidad del producto final, por lo que el equilibrado de rotores es una práctica necesaria para la mejora continua de la calidad del producto final. 2.2 Desalineación en acoplamientos. La desalineación es uno de los problemas de vibraciones más frecuentes en máquinas rotativas y se debe a la dificultad que presenta la alineación de dos rotores con sus respectivos apoyos. La desalineación puede tener su origen en causas muy diversas como: excesiva confianza en la utilización de acoplamientos elásticos y rodamientos autoalineables, distorsiones en la máquina durante su operación que producen desplazamientos del sistema conductor o conducido, etc. La desalineación producirá unos niveles de vibración muy elevados en las proximidades del acoplamiento que pueden llegar a precipitar la degradación de los rodamientos, el desgaste de los tacos del acoplamiento, la rotura de pernos, el sobre calentamiento excesivo del sistema conductor por un aumento del consumo eléctrico, etc., por lo que es conveniente corregirla antes de que produzca daños más considerables que pueden llegar a producir paros en la máquina. La desalineación en acopIamientos puede medirse empleando relojes comparadores y corregirse con galgas bajo las patas del sistema móvil de la máquina (generalmente el motor). En la actualidad, hay sistemas comerciales precisos para la medida y corrección de la desalineación, basados en unas fijaciones que soportan los relojes comparadores e incluso sistemas láser. Estos sistemas se apoyan en instrumentos de captura automática de medidas, cálculo de correcciones aplicables y representación en pantalla de las tolerancias y del movimiento de corrección. La desalineación tiene lugar cuando existe poca precisión en la alineación entre pares de piezas, como son los elementos de un acoplamiento, rodamientos, ejes y poleas. La desalineación normalmente se manifiesta con una fuerte vibración en las direcciones axiales y radiales. Las lecturas axiales pueden presentar los primeros armónicos de la velocidad de giro, 1x, 2x y 3x RPM. Las lecturas radiales presentan normalmente actividad a 1x y 2x RPM. Bajas amplitudes en la frecuencia del tercer armónico y superiores. Sin embargo, en algunos equipos la vibración predominante debida a desalineación tiene lugar a 1xRPM y puede confundirse con desequilibrio. En estos casos es conveniente realizar un análisis complementario de fase que nos permitirá distinguir entre problemas de desalineación y de desequilibrio. Por otro lado, la forma de onda en el tiempo se caracteriza por presentar un patrón repetitivo sin impactos en aceleración. El análisis de fase nos permite confirmar el diagnóstico de la desalineación y se caracteriza por presentar una diferencia de fase importante entre los rodamientos próximos al acoplamiento en las mismas direcciones de medida. Otra característica de la desalineación es que la diferencia de fase entre lecturas horizontales no es semejante a la diferencia de fase entre las lecturas verticales. 2.3 Engranajes desgastados o dañados. El funcionamiento de los engranajes genera vibraciones y ruido principalmente. Dos o más ejes con sus correspondientes rodamientos, rotores formados por ruedas dentadas cuyo desgaste ocasiona desequilibrios rotóricos, así como el contacto y deslizamiento periódico entre dientes, son el origen de las vibraciones. El desequilibrio rotórico de una rueda producirá una vibración de tipo armónico a su velocidad de giro, afectando al modo que engranan los dientes, produciéndose la vibración a la frecuencia de engrane. Una desalineación produce la deformación de la onda armónica fundamental de giro, lo que produce además de la componente 1X, armónicos múltiplos de la velocidad de giro. Una excentricidad en una rueda, como consecuencia de un defecto de montaje o mecanizado, produciendo una oscilación armónica a la frecuencia de giro de la rueda excéntrica (Modulación de la onda). El contacto periódico entre los dientes tiene un comportamiento vibratorio impulsivo. Debido al choque metal-metal, establecido en un corto intervalo de tiempo, que vendrá acompañado de una onda de deformación resonante en la estructura del material, junto con el frente de onda producido por las deformaciones locales debido a la presión ejercida por un diente sobre otro (depende de la carga). Ambos se propagan por el seno del material y a través del medio originando, un ruido audible característico, en el que intervienen frecuencias resonantes y la frecuencia de engrane. Para el deslizamiento entre dientes no puede, sin embargo, proponerse un modelo vibratorio de tipo determinístico, pues está relacionado con la rugosidad superficial de los materiales en contacto y el comportamiento de la capa de lubricante. Se producen ininterrumpidas vibraciones de carácter aleatorio y de amplio ancho de banda que dependen del estado de las superficies, de la lubricación e incluso del tipo de materiales en contacto. Fallas frecuentes que se generan en los engranajes Los dientes deslizan durante el contacto entre ellos. En el único instante en que ellos no deslizan (ruedan sin deslizar), es cuando hacen contacto en el punto de paso (el cual queda aproximadamente en el medio del diente). Entre más alejado se realice el contacto entre los dientes desde el punto de paso, mayor será el valor del deslizamiento entre ellos y por lo tanto mayor será el desgaste. El desgaste normal en los dientes debería ser entonces como el indicado exageradamente en la Figura 2. Es decir, el mayor desgaste se producirá en la punta y en la raíz de los dientes y teóricamente no debería haber desgaste en el punto de paso (al no existir deslizamiento entre los dientes en ese punto). Figura 2. Desgaste en los dientes del engrane. Desalineamiento del engrane Engranajes desalineados significa que no están haciendo un contacto uniforme a lo largo del diente como se ilustra en la figura 3. Los engranajes desalineados aumentan el valor de las vibraciones normales a la frecuencia de engrane y múltiplos, de forma similar al desgaste de los flancos de los dientes. Es importante que los engranajes trabajen alineados, para aumentar la vida de operación de ellos. Si los dientes trabajan desalineados, habrán esfuerzos excesivos en una parte del diente, lo que desgastará aceleradamente esa parte disminuyendo significativamente la vida de ellos. Incluso si el engrane está muy desalineado podría no hacer contacto en una parte de él. Figura 3. Distribución de esfuerzos a lo largo del diente. Dientes dañados Cuando una rueda dentada tiene fallas locales como son: dientes rotos, agrietados, desastillados o picados, se genera una modulación brusca de la componente de engrane durante un periodo de engrane, cada vez que el diente dañado entra al engrane. Esto es repetido una vez por revolución. Una modulación brusca en amplitud genera en el espectro muchas bandas laterales, pero de pequeño valor. Como las bandas laterales generadas en este caso son de pequeño valor, muchas veces son ignoradas, o quedan escondidas en el ruido de fondo del espectro. 2.4 Rodamientos deteriorados. La duración de un rodamiento depende del número de pasos de los cuerpos rodantes sobre los caminos de rodadura y de la carga que actúa sobre ellos. La fatiga normal se presenta en forma de un descascarillado o exfoliación de los caminos de rodadura. Si el rodamiento continúa solicitado puede llegar a producirse la rotura total de los aros (Figura 4). Figura 4. Descascarillado (izquierda) y rotura (derecha) del aro interior de un rodamiento rigido de bolas. 2.5 Efectos de la vibración excesiva. -Disminución de la vida útil de los equipos: Es el principal efecto que tendrá en cualquier maquinaria debido a que el exceso de vibración genera efectos colaterales en la composición total de la maquino y no solo en el elemento que presenta o es el origen de la vibración, un claro ejemplo de esto son los tonillos y tuercas que suelen aflojarse por el efecto de la vibración y a su vez estos pueden generar problemas aún mayores. -Ruido en la planta. El sonido lo podemos interpretar como la vibración que se transmite hasta nuestros oídos a través de medios como el aire, por ello, todas las maquinas generan algún sonido en diferentes categorías, entre mayor sea la vibración más sonido van a generar esta a tal grado que se convierte en un ruido constante, molesto e innecesario, siendo esto nada más que contaminación auditiva que afecta de gran manera el ambiente laboral y puede dar origen a accidentes laborales dentro de la planta. -Potenciales problemas de seguridad. Como ya se menciono anteriormente, el ruido generado por las maquinas, o el potencial aflojamiento de tornillos, tuercas o elementos de sujeción de la maquinaria puede ocasionar una gran cantidad de accidentes dentro de la planta lo que ocasionaría paradas innecesarias y afectaría de forma negativa a cualquier empresa. -Daño permanente en los equipos o Interferencia con la producción y calidad del producto final. Es evidente que los equipos que trabajan bajo vibraciones distintas a las que tiene de manera normal recibirán un deterioro que disminuirá su vida útil, sin embargo, si estos problemas de vibración no se corrigen llevaran a daños aun mayores e incluso irreversibles pudiendo ocasionar paradas y tiempos muertos innecesarios. En procesos que necesitan una precisión y exactitud muy elevados para obtener un producto de la mayor calidad posible, la vibración tiene un efecto negativo que se debe destacar pues el movimiento erratico que puede generar la vibración afectara en general al proceso de producción, Si no controlamos estos problemas, las vibraciones pueden repercutir de forma bastante negativa en y en nuestros equipos. Por eso es necesario hacer un buen mantenimiento y revisiones periódicas, el hecho que una máquina se “vea bien” no quiere decir que todo en ella funcione correctamente, no esperemos a que sucedan problemas serios o daños irreparables, usemos la información que nos proporcionan estas vibraciones para hacer un plan estratégico de mantenimiento preventivo. Con los datos correctos se puede evitar que se produzca un problema mayor. 3 CONCLUSIONES KBC: JUFJ: CFJGP: Las vibraciones están presentes en todos los equipos y maquinarias que existen pero siempre tienen un nivel estándar, cuando este nivel es sobrepasado se comienzan a generar una gran cantidad de problemas y estos van empeorando cada vez más mientras no se atienda o corrija el error, para ello es importante conocer los orígenes de estas fallas, y los efectos que tienen dentro del equipo que las presenta pues a simple vista podemos decir que algún equipo se ve bien pero al mismo tiempo puede presentar fallas que no se pueden detectar a simple vista. DLVG: 4 Bibliografía Álvaro, M. (30 de Mayo de 2011). Estudio de la interacción fisura-desequilibrio en la evolución de las órbitas de ejes rotativos. Recuperado el 7 de Julio de 2021, de Universidad Carlos III de Madrid: https://e- archivo.uc3m.es/handle/10016/12861 Fernandez, A. (2021). Desalineación. 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