Los defectos o fallos prematuros que pueden aparecer en equipos dinámicos (desequilibrio dinámico, desalineación, transmisión en mal estado, cojinetes defectuosos, marcha irregular, etc.) suelen venir vienen acompañados de cambios funcionales en los mismos, que pueden manifestarse de diversas formas, entre los que podemos destacar; una disminución del rendimiento eléctrico y/o mecánico, modificación de la temperatura de trabajo de los elementos afectados, cambio en los ruidos característicos del equipo y/o elementos y, por último, modificación del nivel de vibración y de sus características vibratorias.
Estos y otros muchos cambios funcionales pueden ser detectados y evaluados mediante el análisis de los parámetros de significación funcional (PSF). Estos parámetros se definen como magnitudes físicas susceptibles de experimentar algún tipo de modificación de signo repetitivo en su valor cuando se produce un cambio en el estado funcional del equipo.
Dentro del campo del mantenimiento predictivo las vibraciones que experimentan cualquier equipo, máquina o sistema mecánico en funcionamiento destacan de manera notable como PSF. Esta importancia destacada de las vibraciones se debe principalmente a que se tratan de un tipo de manifestación susceptible de ser medida con relativa facilidad incluso cuando el equipo se encuentra en marcha y que, además, muestra una clara dependencia con el estado funcional del equipo.
Por tanto, mediante la medida y un adecuado análisis de la vibración de una máquina se puede realizar un seguimiento de su estado, pudiendo detectar un funcionamiento anómalo y realizar un diagnóstico de las causas raíz del mismo, optimizando la planificación de su mantenimiento y, en definitiva, prolongando su período de vida.
Los PSF utilizados en este trabajo para su evaluación y el posterior análisis del estado global de los equipos son:
- La temperatura (T), especialmente útil en rodamientos, cierres, zona de bobinados y otras partes estructurales donde este parámetro se muestra significativo.
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- La vibración en unidades de aceleración en la banda 2-20 kHz, lo que denominamos Aceleración eficaz (Aeff), que se presenta como especialmente útil en la evaluación de rodamientos.
- La vibración en unidades de aceleración en banda selectiva, lo que denominamos Aceleración selectiva (Asel), generalmente con un paso banda de 800-2000 Hz, aunque puede variar en función de las características del equipo. Es especialmente útil para detectar problemas de cavitación o contactos metal / metal.
- La severidad de la vibración en unidades de velocidad (mm/s) en todos los puntos de medida del equipo. La evaluación se hará, en principio, conforme al estándar ISO 10816 (Figura 4.1); aunque, en la amplia mayoría de los casos y a tenor de los registros históricos de medida y experiencia adquirida, los niveles de alerta y alarma son adaptados a las particularidades de cada tipo equipo en concreto.
- Ciertos componentes frecuenciales característicos del espectro de la vibración en velocidad de cada equipo, tales como la frecuencia de engrane, la frecuencia de paso de álabe en bombas y compresores rotativos o la frecuencia de paso de barra en motores eléctricos, por citar algunos componentes espectrales sobradamente conocidos, se seleccionan mediante un adecuado filtro pasabanda en el espectro de vibración en velocidad, parámetro designado como Velocidad selectiva (Vsel).
Tras seleccionar los PSF para el análisis del estado funcional de la máquina y/o equipo, debe tenerse en cuenta que se debe establecer un estado base que represente su correcto estado de operación, es decir, cada PSF tendrá un cierto “nivel basal”.
La selección del nivel basal correcto es especialmente importante en aquellos PSF de naturaleza vibratoria debido a que la aparición de un defecto en la máquina, incluso en fase incipiente, lleva asociados ciertos cambios tanto en el nivel de vibración como en sus características frecuenciales, los cuales examinados de forma conjunta facilitan la detección e identificación del problema.
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Igual de importante que el conocimiento del nivel basal de los PSF es el disponer de criterios que permitan distinguir cuándo un valor puede ser indicativo de un defecto. En este trabajo se plantea un método basado en tres niveles de aviso:
- Nivel de alerta: Nivel indicativo de un estado anormal y, por consiguiente, de la probable presencia de un defecto funcional.
- Nivel de alarma: Este nivel, además de confirmar la existencia del problema funcional, representa por sí mismo un nivel peligroso para el funcionamiento de la máquina.
- Nivel de parada: Representa un nivel de vibración inadmisible para el equipo, esto es, una situación en la cual el fallo podría producirse en cualquier momento; siendo, por tanto, recomendable la parada inmediata del equipo.
P S F DESCRIPCIÓN GRADO (G) INADMISIBLE 8 Nivel de Parada PELIGROSO 4 Nivel de Alarma TOLERABLE 2 Nivel de Alerta CORRECTO 1
Tabla 4.1. Grados paramétricos.
En la tabla 4.1 se muestran los tres niveles expuestos anteriormente y los cuatro intervalos a los que dan lugar. A cada uno de estos intervalos le ha sido
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asignado un valor numérico, al que hemos denominado grado paramétrico, que representa la gravedad potencial del estado correspondiente a la medida. Puesto que, en general, el daño producido está relacionado con los niveles de energía involucrados en el valor del PSF en cuestión, los grados asociados a cada intervalo de valores del parámetro siguen la serie geométrica indicada en dicha tabla, de manera que cada grado representa una condición doblemente grave respecto al grado inmediatamente inferior.
Un ejemplo de este tipo de clasificación es el establecido por la norma 10816-1, para la medida de la severidad de la vibración, “Mechanical Vibration. Evaluation of machine Vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1: General guidelines”, donde cada columna representa un grupo de máquinas según su potencia y otras características. El nivel de vibración viene calificado en cuatro grados tal y como se muestra en la figura 4.2:
Figura 4.1. Estándar ISO 10816-1. Vibration general guidelines.
A lo largo de esta tesis y en ausencia de información al respecto del nivel basal de la vibración, se han utilizado por defecto los niveles de alerta y alarma fijados por la ISO tal y como aparecen en la figura 4.1, añadiéndole un nivel más por encima de la alarma, el ya citado nivel de parada, que, como ya se ha adelantado, es un nivel que marca un peligro inminente de fallo del equipo y, por
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tanto, aconseja la parada inmediata del mismo. Siguiendo el mismo criterio que la norma ISO, este valor se ha fijado en 2,5 veces el nivel de alarma.
Sin embargo, en aquellos equipos en los que sí que se dispone de suficientes medidas (en general 10 o más) asociadas a un correcto estado funcional se ha seguido el criterio, por el cual, asumiendo que la severidad de la vibración de un equipo en buen estado sigue una distribución de Rayleigh, los valores de alerta, alarma y nivel de parada, vienen dados, respectivamente, por las ecuaciones (4.1), (4.2) y (4.3):
Nivel de alerta: m + 2
σ
(4.1) Nivel de alarma: m + 4σ
(4.2) Nivel de parada: m + 8σ
(4.3)donde m es la moda de la distribución y
σ
su desviación típica, obtenidos de las n medidas disponibles del nivel de vibración RMS (vi) en el punto correspondiente mediante las expresiones , ecuaciones (4.4) y (4.5):= ^_Q∙∑cbdeab
f (4.4)
g = ∙ ^2 −_Q (4.5)
Desde un punto de vista estadístico, y en términos porcentuales, el nivel de alerta tiene asociada una probabilidad solo del 10% de que el equipo se encuentre en buen estado funcional, mientras que en el nivel de alarma se reduce al 1%. Dicho de otro modo, si el nivel de vibración sobrepasa el valor de alerta existe una probabilidad del 90% de que el equipo tenga algún defecto. Esta probabilidad sube al 99% si se sobrepasa el nivel de alarma.
En lo que se refiere a la medida de la vibración en aceleración, cuando se tienen suficientes medidas el criterio seguido es el mismo descrito anteriormente. La referencia genérica, inicial en ausencia de datos de partida, para los valores de alerta y alarma es la recomendada en el manual de la instrumentación, concretamente 1000 mg como valor de alarma y 500 mg como valor de alerta.
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Para establecer los valores límite de temperatura, sin embargo, ha sido necesario realizar un análisis previo de cada uno de los puntos considerado que la enorme variabilidad en cada equipo y circunstancia funcional hacía imposible fijar un valor genérico inicial.