UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA
PUNTA ARENAS
TECNICAS DE DIAGNOSTICOS DE DAÑOS INCIPIENTES EN RODAMIENTOS.
Profesor Guía:
Sr. Héctor Aguila Estrada
ALEX JORGE ALVAREZ RAMIREZ 2005
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el
Titulo de Ingeniero Ejecución en Mecánica.
RESUMEN.
El presente trabajo de titulación ha sido desarrollado con un claro propósito: el configurar la técnica para el análisis de fallas incipientes en rodamientos, conocida como Peakvue.
Pero, para poder desarrollar de una buena forma este propósito, no solo se limito a verificar esta técnica, sino que además se estudiaron las otras técnicas que se encuentran en el mercado para el control de este tipo de fallas. Aquí también se encuentra un detalle de los desperfectos más comunes en los rodamientos.
El propósito de la configuración fue dado por la Empresa Nacional del Petróleo ENAP, por intermedio de su sección de Mantenimiento Predictivo, los cuales cuentan el software de vibraciones y con la técnica del Peakvue. Por lo que se hace necesario un estudio y la configuración de la técnica.
Aquí se encontrara todo lo necesario para cumplir con dicho propósito como así también los argumentos necesarios para poder entender el por que se estudia tanto el tema del monitoreo de los rodamientos, elementos tan importantes dentro del buen funcionamiento de una maquina.
INDICE.
CAPITULO 1 “Generalidades de la obra”
1.1 Introducción...1
1.3 Objetivos. ...2
1.3.1 Objetivo general...2
1.3.2 Objetivos específicos...2
1.4 Alcance de la obra...2
CAPITULO 2 “Estudio de las causas raíces de las fallas en los rodamientos”. 2.1 Introducción al estudio de las causas raíces de fallas en rodamientos………...4
2.2 Estadística de falla de los rodamientos según los fabricantes...4
2.2.1 Falla por contaminación...6
2.2.2 Falla por problemas de lubricación...6
2.2.3 Falla por montaje incorrecto...7
2.3 Frecuencia de falla de los rodamientos...8
2.4 Cuatro etapas de una falla en rodamiento (deterioro progresivo)...10
CAPITULO 3 “Caracterización de fallas típicas en rodamientos”. 3.1 Introducción a la caracterización de fallas típicas en rodamientos…………...14
3.2 Principales deterioros de los rodamientos...14
3.2.1 Exfoliacion por fatiga...14
3.2.2 Exfoliacion superficial...15
3.2.3 Agripado...16
3.2.4 Huellas por deformación...17
3.2.5 Falso efecto Brinell (abrasión)...18
3.2.6 Desgaste...19
3.2.7 Cráteres y estrías...20
3.2.8 Golpes, fisuras y rupturas...21
3.2.9 Corrosión por contacto...22
3.2.10 Corrosión...23
3.2.11 Deterioros en las jaulas...24
3.2.12 Verdadero efecto Brinell...25
3.2.13 Sobrecarga excesiva...26
3.2.14 Resumen de las posibles fallas en los rodamientos...27
Capitulo 4 “Técnicas de análisis para detectar fallas en rodamientos” 4.1 Introducción a las técnicas de análisis para detectar fallas en rodamientos…...28
4.2 Señales moduladas...28
4.3 Análisis con zoom real...30
4.4 Método de demodulación...31
4.5 Método Ceptrum...33
4.5.1 Algunas ventajas del ceptrum frente al análisis espectral...35
4.6 Método del factor de cresta...36
Capitulo 5 “Peakvue”. 5.1 Introducción al Peakvue...38
5.2 La actualidad del mantenimiento Predictivo...38
5.3 Descripción de la técnica Peakvue...39
5.4 Utilización de filtros pasa altos...41
5.5 Calculo de la frecuencia máxima de muestreo...44
5.6 Configuración del Peakvue en el software de análisis...45
5.6.1 Creación del punto de Peakvue en la maquina elegida...45
5.6.2 Configuración del parámetro de adquisición...50
5.6.3 Configuración de los límites de alarmas...53
5.7 Aspectos importantes de tener en cuenta en el trabajo con Peakvue....55
CAPITULO 6 “Análisis experimental”. 6.1 Introducción al capitulo………57
6.2 Descripción de la experiencia realizada en el banco de pruebas………57
6.3 Descripción de herramientas y equipos utilizado en la experiencia……58
6.4 Muestra y Análisis de los datos obtenidos………...62
6.5 Análisis comparativo entre Peakvue y otras técnicas en función a variables como velocidad, cantidad de daño y carga……….67
6.5.1 Análisis de las técnicas de detección de fallas en rodamientos en función a la velocidad……….68
6.5.2 Análisis de las técnicas de detección de fallas en rodamiento en
función a la cantidad de daño………77
6.5.3 Variación de la cantidad de la carga sobre los soportes………...83
6.6 Implementación en casos reales………...83
6.6.1 Espectro de una bomba con desperfectos incipientes en uno de sus Rodamientos……….83
6.6.2 Importancia de la buena ubicación del sensor para efectuar una muestra………..85
6.6.3 Nota de la implementación de Peakvue en casos reales………..87
6.7 Espectros aportados por otros analistas……….88
CAPITULO 7 “Discusiones y conclusiones”. 7.1 Conclusiones……….90
7.2 Conclusiones de variar la velocidad………..90
7.3 Conclusión de variar la cantidad de daño………...92
7.4 Ventajas de trabajar con Peakvue……….92
7.5 Desventajas del trabajo con Peakvue………..93
ANEXOS Anexo 1. “Configuración del Peakvue”………..94
Anexo 2. “Apunte de falla en maquinas”……….100
Anexo 3. “Tipos de rodamientos”………110
Anexo 4. “Vida útil de los rodamientos”……….115
Anexo 5. “Tipos de mantenimiento”………....118
Anexo 6. “Tipo de fijación del sensor”………119
Referencias………121
CAPITULO 1
“GENERALIDADES DE LA OBRA”
1.1 INTRODUCCION.
Dado que los rodamientos siempre están expuestos a un gran desgaste, contaminación y a un mal montaje, se considera importante abordar el tema en este trabajo. Más aun si se toma en cuenta que, en un tren de producción la detención de una maquina puede provocar grandes pérdidas a una empresa, entonces, anteponerse a este tipo de problemas es de real importancia, tanto para la confiabilidad de la planta, como para los costos asignados a una detención imprevista del tren de producción.
Los rodamientos siempre están siendo controlados por su importancia en la maquina, es por esto que se han desarrollado varias técnicas para controlar su estado, pero sin duda la más ampliamente desarrollada por su exactitud en el control de daños en rodamientos es el análisis de vibraciones.
Este trabajo toca en profundidad una de las técnicas que se utiliza hoy en día para el control de los rodamientos, comparándola en todo momento con otras que también trabajan en este propósito. Esto no es precisamente desmerecer las otras técnicas en mención a la que se estudia en profundidad y que se esta tratando de implementar, pero se hace necesario conocer las bondades y falencias de esta técnica a implementar respecto a otras que trabajan en la misma área.
La técnica escogida para el desarrollo del tema es el Peakvue, y uno de los objetivos de este trabajo es poner en marcha esta técnica para el control incipiente de fallas en rodamientos.
En el transcurso de esta obra se estudiaran en detalle algunas de las técnicas que se utilizan para el control de fallas incipientes en los rodamientos, así como también una muestra de los desastres que provoca un descuido en las condiciones de operación de estos elementos de maquina.
Por ultimo, en esta tesis se tocan otros aspectos de importancia, como los cálculos para la configuración de la técnica utilizada, entre otros temas para el buen funcionamiento de la misma.
1.2 OBJETIVOS.
1.2.1 Objetivo general.
• Conocer y evaluar las técnicas que se pueden manejar con el colector CSI 2120, para analizar incipientemente daños en rodamientos.
• Aportar los conocimientos necesarios para la implementación de Peakvue como herramienta en el control de fallas incipientes en rodamientos.
• Estudiar la efectividad de la técnica Peakvue en el análisis y diagnostico de daños en rodamientos.
1.2.2 Objetivos específicos.
• Estudiar cuales son las fallas características de los rodamientos.
• Dar a conocer las técnicas de vibración que se utilizan hoy en día en la industria para el control de fallas incipientes en rodamientos.
• Comparar la técnica que se desea implementar (Peakvue), con las otras existentes en el colector CSI 2110.
1.3 ALCANCE DE LA OBRA.
Como ya se ha explicado anteriormente en este mismo capitulo, este texto tiene la finalidad de implementar la técnica Peakvue para el control de fallas incipientes en rodamientos.
Como es sabido, una falla en los rodamientos puede tener una acción catastrófica en la maquina a la cual pertenece. Debido a esto, es que, el control desde una etapa bastante incipiente del problema, es sumamente importante.
Más aun si los rodamientos pertenecen a las denominadas maquinas críticas del circuito productivo.
Lo que se pretende conseguir al finalizar este trabajo es facilitar los conocimientos necesarios para ser capaz de implementar la técnica del Peakvue, conociendo además, sus ventajas y sus desventajas con respecto a las otras técnicas que se dedican a la búsqueda de fallas incipientes.
Por otro lado, con este trabajo de titulación, se aspira a aportar los conocimientos necesarios para implementar la técnica del Peakvue y para el análisis posterior de los resultados obtenidos.
CAPITULO 2
“ESTUDIO DE LAS CAUSAS RAICES DE LAS
FALLAS EN RODAMIENTOS”
2.1 INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LAS CAUSAS RAICES DE LAS FALLAS EN LOS RODAMIENTOS
Este capitulo es importante porque comprende un estudio realizado a los rodamientos y las “causas raíces” que son las responsables de las fallas de los rodamientos. Además se encuentran los potenciales casos de falla.
Las causas raíces no son las detectadas por las técnicas de diagnóstico, estas técnicas detectan los efectos de las causas raíces que, para este estudio, se quiere detectar en una etapa incipiente para otorgar el tiempo suficiente al mantenimiento para programar la detención de la maquina.
Estos datos que son aportados por las empresas fabricantes de rodamientos, son bastante asertivos.
Aquí se presentan algunos ejemplos de rodamientos dañados, identificándolos con las fallas que produjo dicho daño.
Antes de dar el paso a este capitulo, es importante mencionar que también se ha incluido en él la evolución que tienen las fallas incipientes de los rodamientos, como así también se exponen las frecuencias de fallas características para los rodamientos.
2.2 ESTADÍSTICAS DE FALLAS DE RODAMIENTOS SEGÚN LOS FABRICANTES.
La importancia que tienen los rodamientos en la industria hoy en día es altísima, una falla catastrófica en ellos fuera de los tiempos pronosticados de vida útil y provoca, inevitablemente, una pérdida de producción. Por ende se producen dos gastos: la perdida de producción y el gasto propiamente tal de reparación del equipo dañado.
Por eso, detectar el estado de los rodamientos y preveer las fallas en un estado incipiente, otorga el tiempo para programar su reparación, incluso
esto se puede hacer coincidir con los periodos de baja producción minimizando aun mas las perdidas. Al comparar esta situación casi ideal versus una parada imprevista y la perdida de producción asociada a esta, es que resulta rentable para la industria actual, invertir en este tipo de estudios.
Respecto a la búsqueda de los problemas que afectan a los rodamientos, estadísticamente se puede decir que, el porcentaje de rodamientos que vienen dañados de fábrica es muy bajo, debido a los sistemas de control de calidad de los fabricantes. Por lo que una falla de fábrica, si bien es posible, es poco probable. Es por eso que, la gran fuente de fallas de los rodamientos radica en otras condiciones que se pretenden exponer a continuación.
La estadística mostrada en la figura 2.1 es para rodamientos de todas las marcas que fueron analizadas por el centro técnico de NSK (fabricantes de rodamientos) en Ann Arbor, Michigan en los Estados Unidos. Se puede ver que, la gran mayoría de los rodamientos no llegan a su vida útil calculada. La vida útil del rodamiento es afectada por muchos factores externos. Por lo tanto, se deben de tener estos factores en mente y estudiar maneras de reducir sus efectos a los rodamientos. De esta manera, la vida del rodamiento aumentará, reduciendo así los costos de la empresa.
Fig. 2.1 Estadística de fallas en rodamientos (Datos aportados por NSK)
Como se aprecia estadísticamente (según NSK), se puede hablar de tres grupos de factores que hacen que el rodamiento no llegue a su vida útil
calculada, los efectos visuales que deja la falla en los rodamientos es lo se aprecia en las imágenes siguientes.
2.2.1 Falla por contaminación (50%):
En este grupo encuentran desde contaminaciones líquidas, como por ejemplo presencia de agua en lubricante del rodamiento, hasta contaminaciones sólidas, como partículas metálicas que son arrastradas por el lubricante al interior del rodamiento. En la figura 2.2 se aprecia las abolladuras en la pista interna de un rodamiento de rodillos cónicos.
Fig. 2.2 Problema de contaminación adentro del rodamiento.
2.2.2 Falla por problemas de lubricación (30%):
Este tipo de problemas, generalmente ocurre cuando la grasa con la que se lubrica es demasiado dura para la aplicación, aunque también existen otras, como una lubricación pobre o simplemente una no lubricación. En la figura 2.3 se observan las marcas en la pista interna de un rodamiento de rodillos cónicos.
Fig. 2.3 Problema de lubricación inicial inadecuada y grasa excesivamente dura.
Fig. 2.4 Lubricación inicial inadecuada y grasa excesivamente dura.
En la figura 2.4 se puede apreciar las ralladuras en las pistas producto de una lubricación inadecuada y grasa excesivamente dura.
Fig. 2.5 Lubricación inicial inadecuada y grasa excesivamente dura.
2.2.3 Falla por montaje incorrecto y otros (17%):
En este grupo, según el estudio realizado por especialistas de NSK, se agruparon todas las demás anomalías que afectan el normal funcionamiento del rodamiento. Aspectos como un mal montaje; maltrato del rodamiento, tanto en el transporte como en el almacenamiento y mal ajuste del rodamiento en su alojamiento, son los mas frecuentes de encontrar. En las siguientes imágenes de aprecia las practicas inequívocas y sus resultados.
Fig., 2.6 Grafica de un mal montaje, en el que el rodamiento entra apretado en el eje, por lo que los elementos estampan su forma en las pistas.
Fig. 2.7 Problema de montaje incorrecto (montaje en el eje aplicando presión al aro externo)
Fig. 2.8 Problema de impacto por caída del rodamiento antes de ser utilizado
2.3 FRECUENCIA CARACTERISTICA DE FALLAS EN LOS RODAMIENTOS.
Los rodamientos, como se puede entender a estas altura, tienen muchos usos en la maquinaria moderna, se los puede encontrar en motores, turbinas a gas, bombas y otras gran cantidad de maquinas.
En adelante se visualizaran los deterioros a los que están expuestos los rodamientos, pero para identificar estos en el espectro y realizar un buen análisis, es que se identifican las frecuencias características de falla para cada rodamiento.
Cada elemento (pieza) del rodamiento, posee una frecuencia característica de falla según sean sus características dinámicas. En todos los casos los rodamientos están compuestos por cuatro elementos: la pista interna, los
elementos rodantes, la jaula y la pista externa. Cada una con su propia frecuencia característica de falla asignada.
Las frecuencias características de fallas, no son más que una forma de identificar donde se encuentra localizada la falla en el interior del rodamiento.
La siguiente tabla menciona las frecuencias características de un rodamiento.
Tabla 2.1 Descripción de fallas característica de los rodamientos
Existe también una expresión matemática para calcular cada una de estas frecuencias, que es muy útil para identificarlas en el espectro. Dichas expresiones se detallan en la siguiente tabla (2.2):
Tabla. 2.2 expresiones matemáticas que dan cuenta de fallas características de los rodamientos
Nomenclatura Localización de las falla BPFO (ball pass frequency of the outer
race)
Frecuencia de paso de los elementos rodantes por un defecto en la pista externa.
BPFI (ball pass frequency of the inner race)
Frecuencia de paso de los elementos rodantes por un defecto en la pista interna.
FTF (fundamental train frecuency) Frecuencia de rotación del porta elementos o jaula.
BSF (ball spin frequency) Frecuencia de giro de los elementos rodantes.
Donde:
RPM = Frecuencia de rotación del eje (cpm).
Di = Diámetro de la pista interna.
De = Diámetro de la pista externa.
n = Número de elementos rodantes.
dm = Diámetro entre los centros de los elementos rodantes.
d = Diámetro de los elementos rodantes.
β = Ángulo de contacto.
Fig. 2.9 Esquema de las dimensiones de un rodamiento
2.3 CUATRO ETAPAS DE UNA FALLA EN RODAMIENTOS (DETERIORO PROGRESIVO).
Los rodamientos por lo general presentan una evolución de fallas bastante parecida entre si. Todas las fallas empiezan con una etapa incipiente donde solo se puede apreciar spike energy a una muy alta frecuencia. A medida que esta falla avanza en el tiempo se comienza a apreciar las modulaciones en torno a las frecuencias características del rodamiento. Cuando la falla ya es inminente se dejan ver excitadas las frecuencias características de los elementos del rodamiento a una baja frecuencia y si se deja continuar esta falla se observara en el espectro una vibración aleatoria en gran parte de él.
A continuación se presenta esta evolución en los esquemas de los espectros.
Primera Etapa:
Fig. 2.10 Primera etapa de la falla (etapa incipiente)
Esta es la etapa más primitiva de todas, donde se hace presente los “Spike Energy”, ondas de esfuerzos. En esta etapa sobre los 2000 Hz, se presentan frecuencias de muy baja amplitud, casi despreciable en comparación de otras frecuencias menores que tienen amplitudes mayores como las que se pueden encontrar en la zona A, en las que se encuentran todas las frecuencia inherente al funcionamiento de la maquina, como por ejemplo la frecuencia de velocidad de giro o desperfectos de la maquina, como desalineamiento o desbalanceamiento.
Segunda Etapa:
Fig. 2.11 Segunda etapa la falla
En esta segunda etapa, ya aparece excitada la frecuencia natural de los rodamientos con ciertas bandas lateral a su alrededor, lo que deja en evidencia que existen señales que se están modulando. Estas frecuencias características se localizan en un rango de frecuencias que esta por sobre 500 Hz y antes de los 2000 Hz.
Los Spike Energy aumenta. Se recomienda prestar atención, ya que el rodamiento comienza a experimentar desgaste.
Tercera Etapa:
Fig. 2.12 Tercera etapa de la falla (falla catastrófica).
En esta etapa se presenta una falla catastrófica, el rodamiento se encuentra en desgaste progresivo, aparecen sus frecuencias naturales y mientras mas armónicos presentes de una de ellas, mas desgaste presentará este componente afectado. El desgaste es notoriamente visible en esta etapa y se hace necesario el cambio de los rodamientos en el tiempo inmediatamente posterior al control de vibraciones.
Cuarta Etapa:
Fig. 2.13 Cuarta etapa de la falla (daño en otros elementos de la maquina)
En esta etapa, las frecuencias características de falla comienzan a desaparecer y son reemplazadas por la presencia de frecuencia aleatoria, acompañada de ruido de fondo o levantamiento de piso.
Esta etapa es, sin duda, la que se quiere evitar, ya que una maquina en estas condiciones de funcionamiento vera varios de sus elementos dañados a causa de los esfuerzos a la que se ha visto sometida. Sin duda, una maquina trabajando con uno de sus rodamientos en este estado, vera comprometido otros de sus elementos. Por lo que, la sustitución del rodamiento ya no bastara, sino que también esta maquina deberá ser sometida a una reparación mayor para cambiar otros elementos y verificar su estado general.
CAPITULO 3
“CARACTERIZACION DE FALLAS TIPICAS EN
RODAMIENTOS”
3.1 INTRODUCCION A LA CARACTERIZACION DE FALLAS TIPICAS EN RODAMIENTOS.
Después de haber comentado en el capítulo anterior acerca de variados aspectos generales del tema, como una estadística de datos referente a agrupar las fallas de los rodamientos, las frecuencias típica de falla de estos y por ultimo observar cómo es la evolución de una falla incipiente, es que se presenta este capitulo, ya un poco mas teórico, donde se pretende mostrar la caracterización de las fallas encontradas a través de muchos estudios haciendo énfasis al comportamiento frecuencial de estos daños.
Este material es una recopilación de datos aportados por varios autores que, con sus estudios, han llegado a obtener los aciertos que se presentan a continuación. Estos estudios aportan información teórica para enfrentar, posteriormente, la parte práctica donde se deben leer los espectros obtenidos con el fin de verificar el estado de los rodamientos.
3.2 PRINCIPALES DETERIOROS DE LOS RODAMIENTOS.
Los rodamientos son elementos de maquinas que, por lo general, trabajan a altas velocidades, por lo que, cuando no se detecta a tiempo una falla se pueden tener resultados nefastos sobre la integridad de la maquina. Las fallas características pueden agruparse según su forma, dándoles un nombre para tener así una denominación de cada una ellas.
3.2.1 Exfoliación por fatiga.
El aspecto de esta falla es de fisuras y arranque de fragmentos del material, de manera micro pero muy parecida a lo que pasa con el hormigón en mal estado.
Esta falla puede ser causada por problemas de lubricación o de montaje.
Fig. 3.1 Defecto en pista interna
Esta falla se presenta en el espectro, con la alteración de una de las frecuencias de falla del componente afectado (pista interna, pista externa, jaula o elementos rodantes) y de algunos armónicos. Si esta falla se deja avanzar, lo mas seguro es que se extienda por todo el área correspondiente a las pistas de rodadura del rodamiento y se presentará un efecto aleatorio que, en medias frecuencias, puede verse como ruido de piso. Esto se puede apreciar en la figura 3.2, en que se presenta un espectro obtenido de un rodamiento con este tipo de falla.
Figura 3.2 Espectros característicos de una exfoliación por fatiga.
3.2.2 Exfoliación superficial.
Esta falla provoca manchas en la superficie procedentes de arranques superficiales de metal, las que pueden ser producidas por lubricación inadecuada. Esto quiere decir que la lubricación es pobre o simplemente no existe, como también se puede referir a que la grasa ocupada para lubricar no es de las características recomendada para la operación de este rodamiento, muestra de ello es lo que se puede apreciar en la figura 3.3.
Fig. 3.3 Marcas de la expoliación superficial en los elementos de un rodamiento.
Esta falla catastrófica se representa en el espectro por el efecto llamado, por algunos autores, “High Stack”. Esto se puede interpretar como un aumento de la amplitudes de los espectro de alta frecuencia. Este aumento sustancial de las amplitudes se agrupan alrededor de las frecuencia de fallas características de los rodamientos, esto se puede apreciar claramente en el espectro que se muestra a continuación (Figura 3.4).
Fig. 3.4 Efecto High Stack ocasionado por una Exfoliación superficial.
3.2.3 Agripado
Esta falla es ocasionada por calentamiento violento del rodamiento, lo que produce una deformación de los cuerpos rodantes. Puede ser producido por falta o exceso de lubricante, defectos de alojamiento, operación a velocidades excesivas y defectos de montaje
Fig. 3.5 Muestra evidente de un rodamiento Agripado. Aquí se aprecia esa coloración azulado típica de esta falla.
En el dominio frecuencial es posible observar esta falla por el fenómeno de
“High Stack”, lo que indica que es una falla generalizada.
Fig. 3.6 Fenómeno de Hitg Stack, producido por un rodamiento a punto de agriparse.
3.2.4 Huellas por deformación.
Las huellas en las pistas son producidas directamente por los elementos rodantes al incrustarse en ella. Aunque, si nos ponemos estrictos, los elementos rodantes también de dañan.
Como en todos los casos que se han expuesto anteriormente la causa raíz de estos problemas son producidos por causas externas. En este caso especifico la causa de las anomalías, pueden ser como ejemplo: un mal montaje, un mal almacenaje, golpes o caídas.
En al figura 3.7 se muestra un rodamiento dañado el la pista interior. Aquí se logra apreciar claramente que uno de los elementos rodantes marco su geometría en la pista probablemente por un mal montaje.
Fig. 3.7 Rodamiento dañado en la pista interior.
Por ser una falla localizada, se presenta en el espectro como la excitación de la frecuencia natural de falla del componente afectado. Cuando esta falla sigue avanzando, se convertirá en frecuencia aleatoria que invade el espectro. Como en los casos anteriores.
Fig. 3.8 Espectro de un rodamiento con una falla localizada.
3.2.5 Falso efecto BRINELL (Abrasión).
Las marcas en los rodamientos hacen confundir este fenómeno con el verdadero efecto Brinell, que es cuando el material por el que esta compuesto el rodamiento es forzado hasta llegar al limite elástico. A diferencia del verdadero efecto Brinell, en este caso, el arranque de material por abrasión al nivel de los puntos de contacto internos del rodamiento. Puede ser producido por pequeños movimientos relativos entre los elementos rodantes y las pistas, lo que desplaza la capa de lubricante entre componentes.
Fig. 3.9 Marcar en rodamientos producidas por abrasión.
Este desperfecto puede ser apreciado a bajas frecuencias como también a altas frecuencias, en el primer caso se aprecian como un fenómeno llamado
“Plain Tail”, que se puede interpretar como frecuencias muy elevadas con respecto a las otras frecuencias mostradas en el espectro. En el segundo caso se puede observar como un High Snack, que es la elevación de las altas frecuencias, en una etapa incipiente del defecto. Esto se puede apreciar en la Fig. 3.10.
Fig. 3.10 Fenómenos de Plain Tail y de Hihg Snack, respectivamente.
3.2.6 Desgaste
El desgaste generalizado de los cuerpos rodantes, de las pistas y de las jaulas, tiene aspecto de matiz grisáceo. Puede ser causado antes del tiempo estimado de vida útil del rodamiento por contaminación de polvo u otras sustancias abrasivas en el interior del rodamiento.
Fig. 3.11 desgaste excesivo del un rodamiento
Esta anomalía se presenta como “Plain Tail”, debido a que es una falla generalizada alrededor del rodamiento.
Fig. 3.12 Espectro característico de un desgaste generalizado y prematuro.
3.2.7 Cráteres y Estrías.
Las picaduras continúas con bordes bien definidos o sucesiones de bandas estrechas paralelas, causadas por el paso de corriente eléctrica. Este caso se observa a menudo en los motores eléctricos que tienen mal aislado su embobinado.
Aquí, como en otros de los casos de mantenimiento predictivo, es importante identificar la causa raíz del problema, ya que no es bueno cambiar los rodamientos del eje sin que antes no se aísla bien el embobinado del motor, que es el problema real.
Los estragos de esta falla se aprecian en la figura 3.13.
Fig. 3.13 Rodamiento con evidencia de paso de corriente eléctrica durante su trabajo.
Es característico de esta falla que presente un espectro con un claro fenómeno de Higt Snack, lo cual es relativamente obvio. Si se piensa, los elementos rodantes pasan por una superficie sumamente irregular que genera pequeños golpes a muy alta frecuencia. Este fenómeno se puede apreciar en la figura 3.14.
Fig. 3.14 Higt Stack producido por fallas de Cráteres o Estrías.
3.2.8 Golpes, fisuras, ruptura.
Los choques violentos, arranque de material en la superficie, fisuras, ruptura de los anillos.
Generalmente son fallas asociadas a golpes y falta de cuidado durante el proceso de Montaje.
Fig. 3.15 Rodamiento golpeado.
Estas fallas son puntuales y son representadas en el espectro por los peak correspondientes a las frecuencias de falla del componente con problemas (pista interna, pista externa, elementos rodantes o jaula) y armónicos. Si se deja avanzar, esta falla puede expandir por todo el rodamiento y la caracterización del espectro se vuelve aleatoria.
Fig. 4.16 Espectro característico de un rodamiento con golpeado.
3.2.9 Corrosión de contacto.
Cuando se trata de usar un rodamiento que no es compatible con el soporte, se produce una coloración roja o negra en las superficies de apoyo del rodamiento, en el diámetro interior y exterior, producto de un montaje flojo del rodamiento. Lo antes descrito se puede apreciar en la siguiente figura.
Fig. 3.17 Rodamiento con corrosión de contacto.
Esta falla se presenta en el espectro por el efecto “Plain Tail”, debido a que es una falla generalizada.
Fig. 4.18 Espectro de un rodamiento dañado por Corrosión de contacto.
3.2.10 Corrosión.
Cuando los rodamientos no están bien protegidos de las fuentes de corrosión, se produce una oxidación localizada o generalizada en el interior y en el exterior del rodamiento. Esta oxidación puede ser producida por un ataque químico que se produce sobre el material del rodamiento, por ejemplo contaminación por agua, la cual desplaza el lubricante. El crecimiento de esta falla puede incrementar el juego radial, con todos los daños posteriores inherentes a esta falla.
La figura 3.19 muestra el aspecto de un rodamiento atacado por la corrosión.
Fig. 3.19 Pista interior de un rodamiento el que se puede apreciar el ataque corrosivo.
Esta falla, en una primera etapa, genera un espectro de la forma Higt Stack y cuando esta progresa, dañando prácticamente todo el rodamiento, se presenta
como un espectro Plain Tail, como los ejemplos que a continuación se muestran.
Fig. 3.20 Rodamiento Dañado por la corrosión de derecha a izquierda. Se aprecia primero un rodamiento ya muy dañado. En cambio, en el ejemplo de la izquierda, se aprecia un rodamiento con una falla ya manifiesta pero no tan desarrollada.
3.2.11 Deterioro de las jaulas.
El deterioro de las jaulas tales como: deformación, desgastes, rupturas.
Generalmente son producidos por problemas de lubricación, por mal montaje del rodamiento o por trabajar a una velocidad mayor a la que fue diseñado.
Fig. 3.21 Daño en la jaula de un rodamiento de rodillos cónicos.
Cuando un rodamiento presenta este tipo de fallas, espectralmente lo que pasa es que aparecen excitadas las frecuencias de fallas características, que tienen que ver con el elemento, a una baja amplitud ya que el daño esta avanzado. Esta frecuencia según el capitulo 2 recibe el nombre de frecuencia de rotación de jaula.
3.2.12 Verdadero efecto Brinell.
Este efecto ocurre cuando la carga aplicada en el rodamiento excede el límite elástico del material de la pista. Las marcas Brinell son indentaciones producidas sobre las pistas a la separación de los elementos rodantes. Puede ser producido por sobrecarga estática, como así también puede ser producido por caídas antes del montaje y por golpes causados en el proceso de montaje.
Fig. 3.22 Pista exterior de un rodamiento afectado por el efecto Brinell.
La representación de este fenómeno en el espectro de vibración, es similar al presentado por el falso efecto Brinell (Presencia de High Stack en altas frecuencias).
Fig. 3.23 Espectro de un rodamiento con daño por el efecto Brinell.
Es importante para estos fenómenos (efecto Brinell y el Falso efecto Brinell), identificar la causa raíz del problema, ya que esta es la única forma de eliminarlo. Lamentablemente, en el espectro, ambos fenómenos se muestran de forma muy similar. Entonces la información para identificar el problema que
esta afectando a la maquina deberá obedecer a un estudio particular de este caso especifico donde se analicen otras variables.
3.2.13 Sobrecarga excesiva.
La sobrecarga excesiva en un rodamiento produce la disminución del tiempo de operación. Es caracterizado por caminos de desgaste en los elementos rodantes y además muestra evidencia de sobrecalentamiento en todos sus componentes.
Fig. 3.24 Partes de un rodamiento sobre cargado.
Esta falla se representa en el espectro con los fenómenos de “Plain Tail” en bajas frecuencias y “High Stack” en altas frecuencias.
Fig. 4.26 Espectro de rodamiento sobre cargado.
3.2.14 Resumen de fallas.
• En todo lo que se ha mostrado en este capitulo, se han agrupado las distintas fallas que se pueden encontrar en los rodamientos, asignando a cada uno de estos grupos un espectro característico para relacionar falla y espectro. Esto ultimo es muy importante ya que la base del mantenimiento predictivo es chequear los elementos de la maquina que están fallando sin intervenirla, siendo los espectros vibratorios la única información que se tiene en este caso. La buena y oportuna lectura de los espectros asegura intervenir la maquina en el momento mas apropiado.
• Esta muestra esta hecha en base a fallas catastróficas, por lo que se deben de considerar como irreversibles, ya que las maquinas afectadas por este tipo de fallas tienen que ser intervenidas en el más corto plazo posible, antes que, producto de esta falla, se vea afectado otro elemento de la maquina.
• Existen varias fallas que exhiben un espectro similar, por lo que solo cuando se desarme la maquina y con un buen estudio en terreno se puede determinar que tipo de falla hay. Esta ultima aseveración va muy relacionada con la anterior ya que en la presencia de un espectro, como los observados anteriormente, solo queda recomendar la intervención de la maquina y una vez realizado esto se puede ser mas exacto en la identificación de la falla, reuniendo más información.
• Aquí se ha hecho un análisis desde el punto de vista espectral, pero en una etapa muy avanzada de los defectos, por lo que estos son apreciables a bajas frecuencias. En una etapa incipiente del problema existe una excitación de las frecuencias características de fallas en un rango frecuencial más alto, donde estas frecuencias excitadas son moduladas por otras frecuencias. Este tema de las modulaciones se trata detenidamente en el capitulo siguiente.
CAPITULO 4
“TECNICAS DE ANALISIS PARA DETECTAR
FALLAS EN RODAMIENTOS”
4.1 INTRODUCCION A LAS TECNICAS DE ANALISIS PARA DETECTAR FALLAS
EN RODAMIENTOS.
Existen varias técnicas para el diagnostico y análisis de rodamientos. Entre estas se pueden mencionar como principales métodos:
• Análisis de vibraciones, ruido y ondas.
• Análisis de temperatura.
• Análisis de partículas de aceite.
De todas las anteriores, el método de análisis de vibraciones, ruido y ondas a sido el más ampliamente utilizado haciendo uso de diferentes técnicas como son: análisis de vibraciones en el tiempo y frecuencia, análisis de ondas de choque, análisis de emisión acústica, etc.
El objetivo de esta tesis, en particular, es estudiar las técnicas referidas a la parte del análisis por medio de vibraciones. En este capitulo se explicaran las técnicas más importantes en el análisis de vibraciones de rodamientos que, entre las más modernas y más utilizadas se encuentran:
• Análisis con zoom real.
• Método de demodulacion.
• Cepstrum.
• El método Peakvue (método que se estudia en extenso en el capitulo posterior).
Todas estas técnicas tratan de identificar el defecto en una etapa incipiente.
4.2 SEÑALES MODULADAS
En tema de análisis de vibraciones, existe un fenómeno conocido como modulación de una señal vibratoria.
El concepto que encierra este termino es fundamental para entender las técnicas de análisis de vibraciones en rodamientos, es por eso que a continuación se explica qué es una señal modulada, de dónde proviene, cómo identificarla, etc.
Las vibraciones, medidas en una maquina, generalmente provienen de diferentes causas o fenómenos físicos. Cuando los fenómenos físicos no interactúan entre ellos
la vibración resultante es, simplemente, una suma de las vibraciones particulares provenientes de las diferentes causas. Cuando los fenómenos interactúan entre ellos producen vibraciones moduladas en amplitud y/o en frecuencia, de forma exactamente igual a lo que sucede en telecomunicaciones.
Una señal modúlala en amplitud esta definida como la multiplicación de dos señales vibratorias, una moduladora [Xm(t)] y otra portadora [Xp (t)].
Xm(t) = señal moduladora = A (1 + m cos ωm t) (4.1) Xp (t) = señal portadora = sen ωp t (4.2)
X (t) = señal modulada = Xm(t) * Xp (t)
Teniendo claro esto, es que se puede decir que la expresión que da cuenta de una señal modúlala en amplitud es:
X (t) = A (1 + m cos ωm t) * sen ωp t (4.3)
La cual, utilizando relaciones trigonométricas, se puede escribir como:
X (t) = A sen wpt + m A/2 sen(wp + wm)t + m A/2 sen(wp - wm)t (4.4)
De la ecuación 4.4 se deduce que, la señal modulada es la suma de de tres componentes a frecuencias wp , (wp + wm) y (wp - wm), siendo estas últimas las llamadas bandas laterales. En la figura 4.1 se observa un ejemplo clásico de una señal modulada y el espectro que se obtiene de ella.
Fig. 4.1 Señal armónica modulada en Amplitud Armónicamente.
Las frecuencias moduladas en maquinas, son propias de un grupo reducido de fallas como: rodamientos dañados, engranes defectuosos (excéntricos, desalineados, dientes agrietados, con errores geométricos), problemas eléctricos en motores, deterioro en álabes de turbinas impulsos excéntricos de turbobaquinas en general.
Identificar y aislar esta señal modulada es como trabajan la mayoría de las técnicas que se utilizan en la detección de fallas incipientes en rodamientos, de ahí su importancia.
4.3 ANALISIS CON ZOOM REAL.
El análisis con zoom real permite, por medio de filtros digitales, adquirir la señal con un ancho de banda estrecho sobre la frecuencia resonante la cual debe haber sido previamente identificada anteriormente. Se obtiene de esta manera un espectro con buena resolución, permitiendo identificar fácilmente las frecuencias moduladoras que se encuentran alrededor de la frecuencia excitada. Para el caso específico de los rodamientos se necesita contar con un espectro con ancho de banda lo suficientemente amplio como para captar los primeros indicios de las fallas incipientes.
En la figura 4.2 se muestra un espectro obtenido de un análisis con zoom real alrededor de una frecuencia resonante de 60 kcpm, en este espectro se
aprecia claramente la existencia de bandas laterales propias de frecuencia moduladas, que proviene de una falla incipiente en un rodamiento.
Figura 4.2 Análisis con zoom (observar badas laterales).
Es importante tener presente que, la mayoría de los software de análisis de vibraciones poseen en un zoom que consiste en la expansión del eje de las frecuencia. Este zoom no tiene nada que ver con el análisis con zoom real, ya que este zoom consiste en un aumento importante de la resolución frecuencial en torno a una banda frecuencial sobre la que se quiere afinar el análisis.
4.4 METODO DEMODULACION.
Para recuperar y examinar la señal moduladora desde la señal modulada, esta última debe de ser demodulada o detectada, como se llama en terminología radial. El proceso de demodulación es relativamente sencillo y consiste básicamente en seleccionar un espectro vibratorio que contenga el componente a analizar, el cual es extraído del resto del espectro usando un filtro pasa banda o pasa alto. Luego, con la ayuda de filtros pasa bajos, se obtiene la envolvente de la señal en el tiempo, la cual solo contiene las componentes moduladoras de baja frecuencia.
A modo de aclaración, se debe decir, que cuando se hable de envolvente esta es una técnica que analiza los cambios de amplitud de las señales vibratorias, en especial si estos cambios son periódicos o aleatorios y si estos cambios fuesen periódicos determinaran la frecuencia de repetición.
Figura 4.3 Muestra del análisis de envolvente correspondiente a un impacto.
Es importante recalcar que el proceso de demodulación ocurre en el dominio del tiempo y es un proceso analógico y no digital como se podría pensar.
Una forma más gráfica de explicar como funciona el método de demodulación, se muestra en la figura 4.4, en la cual se cuenta con la señal temporal de entrada, que con la ayuda del filtro pasa alto (o pasa banda) entrega solo las frecuencias que excedan cierto valor impuesto por dicho filtro (caso de rodamientos, señales de alta frecuencia).
Con la ayuda de amplificadores se entrega una señal con una resolución y forma casi perfecta. A esta señal se le aplica un envolvente, de manera tal de mostrar la mejor curva de los peak de la señal de fondo. Por último, con un filtro pasa bajo se obtiene la señal que entra al analizador.
Figura 4.4 Proceso de demodulación de una señal vibratoria.
Este proceso de demodulacion, no siempre entregara una señal de respuesta o de salida sencilla y sinuosidal como la del ejemplo. Cuando se trabaja en el análisis de señales reales nunca se podrá llegar a esta forma de respuesta tan elemental, por lo que el ejemplo propuesto en la figura 4.4, solo es una gráfica y explica muy bien este método con fines académicos.
En algunos textos al referirse a este método, lo hacen como método de demodulación o envolvente. Esto es porque este método junta dos técnicas o algoritmos que trabajan en base a tiempo real (análisis de modulación y de envolvente) para obtener un mejor resultado en cuanto la forma y resolución de la señal a analizar.
Las bondades de estas técnicas saltan a la vista, pero específicamente en el caso del espectro de la envolvente de aceleración (debido a la alta frecuencia a la que se trabaja), se puede decir que es una herramienta muy útil para la detección y diagnóstico precoz de fallas en rodamientos, ya que las señales características de estos problemas mecánicos no son detectables mediante espectros de aceleración convencionales hasta que resultan demasiado tarde como para tomar una acción correctiva o permitir un planeamiento para la reparación de la maquina.
4.5 METODO CEPSTRUM.
La técnica de análisis llamada Cepstrum, a diferencia de las anteriores, es especialmente recomendada para el análisis de engranajes. Como el procedimiento para el análisis de rodamiento es muy similar, esta técnica también entrega buenos resultados para el estudio del comportamiento de estos elementos de mecánicos.
Cepstrum es una herramienta utilizada por muchos software para simplificar el estudio por parte del analista. Esta herramienta trabaja en zonas donde se percibe alta resonancia, siendo su alcance más importante su capacidad para identificar las familias de armónicas de frecuencias excitadas, en un análisis a altas frecuencias. De aquí su importancia en el análisis, ya que si estas
familias de armónicas se pueden identificar aportan una preciada información acerca de las posibles fallas internas del rodamiento.
Como ya se dijo en su oportunidad, en los rodamientos con fallas incipientes existen defectos que provocan impactos de alta frecuencia y de muy baja amplitud, como es
el caso de una fisura en una de sus pistas. Cada vez que pasa un elemento rodante por el defecto, se provoca un pequeño impacto y como son varios elementos que impactan alternadamente generan una secuencia de golpes en un periodo muy corto de tiempo, solo apreciable a una alta frecuencia.
Esto entrega una valiosa información del estado del rodamiento, pero al calcular el espectro normal no entrega una lectura clara de lo que esta pasando. Es aquí donde trabaja Cepstrum, en base a buscar estas nombradas familias de armónicas.
Cepstrum identifica estas familias de armónicas mediante una función matemática que calcula la inversa del logaritmo de la FFT de la señal temporal original.
Cxx(t) = FFT-1 {logGxx(f)}
Lo anterior se puede apreciar mas claro en el siguiente esquema, en cual se aclara todo el proceso Cepstrum.
Fig. 4.5 Diagrama de block del funcionamiento del Cepstrum.
Con este diagrama de bloques se simplifica bastante el proceso y queda de manifiesto como actúa. Primero, capta la señal temporal a la que se le calcula la FFT, luego existe una instancia en la cual se amplifica y se filtra la señal con el fin de mejorar los datos obtenidos. A esta señal se le aplica el logaritmo y
nuevamente se filtra la señal, para ahora sí calcular sobre ella la inversa de la FFT, en la última etapa del recorrido de la señal nuevamente se mejora la señal y por ultimo se calcula nuevamente la FFT de esta señal con el fin de entregar el espectro que se ocupa para analizar.
A continuación en la figura 4.6 se aprecia un espectro obtenido por este método correspondiente a una caja de engranajes.
Fig. 4.6 Espectro real de una caja de engranes obtenida con Cepstrum.
4.5.1 Algunas ventajas del análisis Cepstrum frente el análisis espectral.
• El Cepstrum independiza los efectos de la excitación (esfuerzos) de los efectos del camino de transmisión entre la fuente de vibración y el punto de medición. Esto hace que el Cepstrum sea menos sensible a pequeños cambios en la posición del acelerómetro.
Estos cambios pueden modificar la pendiente global del espectro pero no afectan a su estructura periódica.
Los defectos del camino de transmisión se corresponden con la zona de baja frecuencia. Mientras que si la selección de escalas es correcta, las zonas de media y alta frecuencia serán las correspondientes a la excitación.
• El Cepstrum da una representación más estable de los problemas de modulación ya que efectúa una promediación de toda la actividad de las bandas laterales.
• El Cepstrum reduce toda una familia de bandas laterales a una sola línea, por lo que el monitoreo del estado de funcionamiento de cada engranaje es más sencillo.
Esto lo convenirte en una gran herramienta de mantenimiento predictivo de cajas de engranajes.
2.7 METODO FACTOR DE CRESTA.
Existe otra técnica no tan usada, que más que una técnica propiamente tal, es cuantificación de la severidad del defecto al interior del rodamiento en función de su energía vibratoria generada por el defecto.
El factor de cresta es una técnica que puede aplicarse solamente cuando se dispone de un instrumento de medición que entregue los valores RMS y de valores peak de vibración mecánica. Con estas dos mediciones se puede calcular el factor de cresta definida como:
Factor de Cresta = Valor Peak / Valor RMS ( 4.6)
De acuerdo con el valor de este factor se puede agrupar en conjuntos que hacen apreciar que tan severo es el defecto. Estos grupos se encuentran en la siguiente tabla:
Valor Peak Valor RMS Factor de Cresta
Incipiente
Crece con respecto al valor histórico
debido a la presencia de los primeros impulsos
Se mantiene respecto al histórico porque al
comienzo la energía de los impactos es
baja
Crece con respecto al
histórico
Medio
Se mantiene ya que aparece mayor cantidad de impulso
pero de la misma amplitud
Aumenta, debido a que al haber mayor cantidad de impulsos
la energía crece
Diminuye en relación al estado
de la falla incipiente Avanzado Se mantiene Crece hasta alcanzar
el valor peak
Disminuye hasta valores cercanos
a 1
Tabla 4.1 Niveles de intensidad del factor de cresta.
Gráficamente se puede representar como sigue:
Grafico 4.1 Comparación de valores RMS y peca respecto factor de cresta.
Como puede interpretase el grafico 4.1, en el caso en que los valores de los peak son el doble de los valores RMS, se encuentra en un funcionamiento adecuado del rodamiento, pero cuando el valor de los peak comienza a subir ya se encuentra la etapa de una falla incipiente.
Por otro lado, cuando los valores RMS comienzan a subir hasta igualar los valores de los peak se esta en presencia de una falla catastrófica.
CAPITULO 5
“PEAKVUE”
5.1 INTRODUCCION AL PEAKVUE.
En este capitulo se encuentra toda la información acerca de la técnica a implementar: “La Técnica del Peakvue”. En el, se describe como funciona, el rango de frecuencia en que actúa y cuál es su importancia. Es aquí donde se encontrara la información necesaria para configurar la técnica en software RBMware.
El entendimiento de este capitulo es fundamental en el desarrollo de la puesta en marcha de la técnica, por lo tanto, es considerado como clave dentro de este trabajo.
5.2 LA ACTUALIDAD DEL MANTENIMIEMTO PREDICTIVO.
El verdadero beneficio del mantenimiento predictivo puede ser determinado con un análisis costo beneficio. Desafortunadamente muchas industria no ha estandarizado un método para contabilizar el beneficio del programa y esto ha introducido un esparcimiento en las criticas negativa con respecto a la efectividad del programa. Un ejemplo de esto podría ser el valor declarado de una recomendación de reemplazo del rodamiento, que de efectuarla puede tener un valor bajísimo para la empresa trabajando bajo el concepto de reemplazo del rodamiento, sin perder tiempo productivo de la maquina. Si no existe la recomendación simplemente se podría reparar el daño cuando la maquina ya no pueda seguir trabajando, los costos ahora son los de un nuevo rodamiento más su cambio y se suma a esto en muchas ocasiones la perdida de producción y podría llegar incluso a una reparación general de la maquina.
El mantenimiento predictivo solamente es valioso si se puede demostrar un beneficio económico claro, por sobre el gasto que se generaría, por ejemplo, el tener dos maquinas similares, para la situación donde falla una maquina poner a trabajar la otra sin perder tiempo. Esto obviamente con todos los gastos asociados a tener dos maquinas cien por ciento operacional.
Con todo este preámbulo queda claro cual es la misión del mantenimiento predictivo y específicamente en el tema tratado aquí, el control de rodamientos por análisis de vibraciones.
Actualmente existen varias técnicas desarrolladas con este fin e inclusive las mas grandes fabricas de rodamiento han estudiado el tema y hoy exhiben, entre sus productos, sistemas de control completo para el cuidado de sus rodamientos. Pero la gran mayoría de estas técnicas muestran en un periodo muy avanzado la falla, o en otros casos descuidan el estado general de la maquina para solo monitorear los rodamientos.
En la actualidad el mantenimiento que se realiza, detecta la falla con el propósito de que ésta no dañe otra parte de las maquina, pero no entrega ese tan preciado tiempo para planificar su detección en el tiempo indicado.
5.3 DESCRIPCION DE LA TECNICA PEAKVUE.
Peakvue es una técnica de análisis para señales generadas a alta frecuencia, que fue diseñada por CSI (como herramienta para su el software RBMware), con el objetivo de estudiar el comportamiento de elementos cuyas fallas se aprecian a altas frecuencias y a baja amplitud, tal es el caso de rodamientos y engranajes. Es importante hacer notar que los rodamientos y los engranajes generan fallas a una alta frecuencia y a una pequeña amplitud, pero solo en una etapa incipiente del defecto, que dicho sea de paso, es cuando se quiere descubrir, ya que cuando este desperfecto o falla avanza en el tiempo aumentan las amplitudes y aparecen las frecuencia características de falla de los rodamientos, y es cuando ya se hace necesario la reparación o el cambio.
Por ende la energía vibratoria aumenta a nivel considerables y la falla ya es detectable en un espectro de aceleración con un ancho de banda adecuado.
Peakvue es una técnica que detecta la presencia las ondas de esfuerzo debidas, principalmente, al contacto metal - metal durante una etapa temprana de falla.
Fig. 5.1 Ondas de esfuerzos.
Como se puede apreciar en la figura 5.1, estos impulsos son a una baja amplitud, pero considerando que el rodamiento tiene solo una falla localizada y sus elementos rodantes van a estar pasando sobre ella constantemente, es que se tiene que la frecuencia de este defecto es relativamente alta.
Esta falla emite frecuencias tan bajas en amplitud que, en la mayoría de los casos, son casi imperceptibles con otras técnicas, como el espectro aceleración tomado en una rutina normal del mantenimiento, debido a la despreciable energía vibratoria que aporta.
Peakvue centraliza su análisis a frecuencias altas donde se están generando las ondas de esfuerzos y toma como dato el valor peak de un pequeño período de tiempo.
Fig. 5.2 captura de datos con el Peakvue
De esta forma, la herramienta garantiza que las frecuencias que se van a estudiar son efectivamente las que, en adelante, comenzaran a dar problemas.
Esta captura de los peak en un diferencial de tiempo de una señal muy débil,
se realiza en un espacio temporal. La frecuencia de repetición de los impactos se obtiene mediante un análisis espectral.
Es importante tener presente un aspecto fundamental para obtener buenos resultados en la aplicación de esta técnica. Esto es que el sensor que se utilizara debe ser, a lo menos, de 30 kHz, debido a que Peakvue utiliza la alta frecuencia para realizar la muestra e identificar el peak del período de tiempo del que ya se hablo.
Así como es importante el rango del sensor, es también la fijación de este, que por norma debe de ir pegado en el soporte que se esta chequeando. (Ver ANEXO 6)
Como fue mencionado antes, el contacto metal - metal genera pequeños impactos, que son la fuente de excitación en el sistema analizado, estos impactos son los que provocan la existencia de los peak. Por ende, saber cuando o como es la característica de estos peak, es equivalente a saber a que frecuencia se esta provocando el problema y cual es su severidad. Con esta información se puede pronosticar ya, como es el estado interno del rodamiento y que se recomienda hacer con el. Esta acción dependerá de que tan experto sea el analista. Con lo último se quiere expresar que la asertividad del proceso depende, en gran medida, del factor humano.
5.4 UTILIZACIÓN DE FILTROS PASA ALTO.
En el trabajo con Peakvue se hace necesario utilizar filtros, específicamente con filtros pasa alto.
La misión del filtro pasa alto es eliminar las frecuencias bajas del espectro para dedicarse a estudiar solo las altas frecuencias, que es lo que interesa en el estudio de fallas incipiente.
Con la eliminación de las frecuencias bajas del espectro se elimina también información del estado general de la maquina, como por ejemplo un
desbalanceamiento o un desalineamiento, por lo que aquí se presenta el primer punto que vale la pena profundizar ya que Peakvue es una técnica específicamente para detectar desperfectos muy incipientes en los rodamientos y engranes por lo que solo la implementación de esta técnica no basta para hacer un buen mantenimiento predictivo. Peakvue es un excelente complemento a un programa de mantenimiento ya que, como se explicado anteriormente, al detectar el desperfecto de forma incipiente otorga el tiempo necesario a la planificación y ejecución del mantenimiento.
El filtro pasa alto como se puede aprecia en la figura 5.3 solo deja que se vea las frecuencias que están por sobre el filtro que se ha impuesto.
Fig.5.3 Utilización de filtro pasa alto.
Ahora, con la utilización de este filtro, se pierden todas las frecuencias que están a la izquierda del filtro impuesto.
El nuevo espectro en la figura 5.4 tiene la particularidad que se aprecia mucho más grande las amplitudes de las frecuencias que se encuentran a la derecha del filtro pasa alto, pero esto es solo una apreciación visual, ya que si se observa en el espectro de la figura 5.3 las frecuencias a la derecha del filtro pasa alto son casi despreciable en amplitud respecto a las frecuencias que se localizan a la izquierda del filtro, y por lo amplio de la escala de la amplitudes es no se aprecian bien.
Fig. 5.4 Especto obtenido con la utilización de un filtro pasa alto.
Los filtros se imponen de acuerdo a varios factores. Estos deben de considerar necesariamente el tipo de maquina, velocidad de giro de la maquina y el tipo de soporte en el que esta alojado el rodamiento.
Después de muchos estudios y de haber considerado los factores nombrados en el párrafo anterior, los diseñadores del Peakvue han logrado un filtro para cada rango de velocidades. Estas recomendaciones se pueden ver en la tabla siguiente.
Tabla 5.5 Datos para la configuración del Peakvue.
Considerando estos filtros pasa altos se asegura de aislar la zona que interesa analizar. Pero también la tabla 5.5 muestra otros datos, como el número de promedio que, para en todos los casos, deberá ser 1, ya que si se recuerda Peakvue toma el valor peak de un pequeño periodo de tiempo, por lo que si
1600 1
5000 Hz 4001 - en adel.
1600 1
2000 Hz 3001 - 4000
1600 1
2000 Hz 1501 - 3000
800 1
1000 Hz 701 - 1500
800 1
500 Hz 0 – 700
Min. Lineas
# de promedio Filtro pasa
Alto RPM
1600 1
5000 Hz 4001 - en adel.
1600 1
2000 Hz 3001 - 4000
1600 1
2000 Hz 1501 - 3000
800 1
1000 Hz 701 - 1500
800 1
500 Hz 0 – 700
Min. Lineas
# de promedio Filtro pasa
Alto RPM
tomamos mas promedios se castiga la energía vibratoria de la frecuencia mas excitada en el período de tiempo otorgado para la muestra.
Otra de las cosas que se puede apreciar en la tabla 5.5 es que recomienda un mínimo de líneas para cada caso. Esto es para la resolución del espectro que se va a analizar.
5.5 CALCULO DE LA FRECUENCIA MÁXIMA DE MUESTREO.
Ya se ha visto como se obtiene la frecuencia mas baja del espectro (filtro pasa alto), pero el espectro no puede ser infinito por lo que existe una frecuencia máxima que también tiene que ver con la velocidad de giro de la maquina y el número de elementos rodantes del rodamiento. Estas variables se relacionan en la expresión 5.2, en la que se tiene que:
Fmax = 4*BPFI (5.1)
Si embargo, si se recuerda en la taba 2.2 del capitulo 2, se tiene que en una forma bastante práctica de expresar la frecuencia de paso de bola por pista interna es: BPFI = 0.6 RPM n, por lo que la expresión anterior queda de la siguiente forma:
Fmax = 2.4*RPM* n (5.2)
Donde:
RPM = revoluciones por minutos de la maquina.
n= número de elementos rodantes.
Un dato importante que es necesario entregar para el buen funcionamiento de esta técnica es que, en ningún caso la Fmax deberá exceder en 40xRPM, en otras palabras no debe ser mayor a cuarenta ordenes.
5.6 CONFIGURACION DEL PEAKVUE EN EL SOFTWARE DE ANALISIS.
Conocidos los parámetros para los espectros de Peakvue lo que viene ahora es la configuración de esta herramienta en el software de análisis RBMware de la CSI.
En la configuración se deben de considerar tres aspectos básico e importante.
El primero, es elegir las maquinas a las que se aplicara esta herramienta y para ellas configurar el o los puntos de Peakvue; segundo, es crear los parámetros de adquisición de la señal para su posterior análisis; y por último, se debe de crear el parámetro de alarmas para el caso determinado de los rodamientos.
5.6.1 Creación del punto de Peakvue en la maquina elegida.
Es importante definir bien las maquinas a las cuales se les requiere implementar esta herramienta de diagnóstico, ya que aquí quedara guardada toda la información que recolecta a lo largo de la vida de la maquina.
Existen dos formas posibles de organizar los puntos de medición de Peakvue, uno de ellos es crear nuevos puntos de Peakvue en maquinas ya creadas. La otra posibilidad, es crear una base de datos solo para Peakvue, vale decir que, se debe crear una maquina en la base de datos del programa de mantenimiento. Esta decisión la debe tomar el personal de mantenimiento ya que en definitiva deben de considerar otras variables, como el tiempo que se demoraran en muestrear la maquina y el tiempo que se demorara en el análisis de la información tomada. Como es sabido, todo lo se refiere a tiempo se reduce en dinero por lo que en la decisión de cómo situar los puntos también se debe de considerar esta inevitable variable.
La recomendación pasa por el concepto de que entre mas información se pueda tener de la maquina es mejor, por este motivo se recomienda que el punto de Peakvue sea configurado en una maquina ya creada, de manera que cada vez que se muestree la maquina se considere el análisis de los
rodamientos con Peakvue. Esto para otorgar un máximo de tiempo al mantenimiento para programar la detención de la maquina para su reparación.
Basándose en la recomendación la configuración, se hace de la siguiente forma:
• Una vez cargado el programa, en la solapa de Setup/Comunications seleccionar con doble click la opción de database Setup. Como en la figura 5.6.
Fig. 5.6 Ambiente del programa de manteniendo RBMware.
• Ahora, en la nueva pantalla que se despliega se encuentran todas las cosas que se debe de configurar para el trabajo de análisis con Peakvue. Lo primero que se debe configurar es el punto, esto se hace en la opción de Tree Structure. Pero aquí solo se crea el punto, esta opción esta vinculada con las otras dos que siguen: Análisis para meter Set Información, que es donde se configura el parámetro de la adquisición de la señal y, por otro lado, está la opción de Alarm Limit Set Information, aquí se configuraran las alarmas para el mejor trabajo posterior.
Fig. 5.7 Opciones de configuración del Peakvue.
Al seleccionar con doble click la opción Tree Structure se debe desplegar una nueva pantalla donde se muestra la base de datos en que se encuentra la maquina seleccionada para configurarle el punto de Peakvue.
Fig. 5.8 Base de datos para la gestión de mantenimiento.
• Una vez aquí, se debe de abrir la maquina a la que se le deben de crear los puntos de Peakvue, esto se logra en Add Branch.
• Se despliega una nueva pantalla, en esta se debe de aportar los datos para identificar el punto y vincularlos con los otros parámetros de adquisición y alarma.
Fg. 5.9 Planilla de información de datos del punto a crear.
Según lo que se logra apreciar en la nueva pantalla es que se deben aportar datos para información del punto y del sensor utilizado.
Elementos informantes a considerar en la implementación del punto:
1. En primer lugar se necesita una identificación rápida para el punto.
2. Luego se pone nombre al punto identificado claramente la ubicación de éste.
3. Seleccionar la unidad en la que se quiere muestrear.
4. Nombrar las revoluciones por minutos nominales de la maquina.
5. Poner tope de días para descargar información.
6. En las dos últimas líneas se requieren los datos que se deben de aportar para vincular el punto que se esta creando con los parámetros de adquisición y de alarma que de no estar creados solo se nombran con un número, recordando éste, después se crean los parámetros.
En la solapa sensor / signal info se deberá aportar la información acerca del sensor utilizado para este motivo.
Fig. 5.10 Información del sensor que se utiliza en la captura de la señal.
Aspectos importantes que se deben considerar en esta parte:
1. La posición en que debería poner el sensor.
2. Orientación del sensor.
3. Sensibilidad del sensor.
También es importante recalcar que aquí, en esta pantalla, se debe de ingresar la frecuencia de fallas del rodamiento que se esta testeando. Esto se realiza pinchando la tecla Fault Freq. Con lo que desplegara una pantalla que se aprecia en la figura 5.11.
Fig. 5.11. Ingreso de frecuencia de fallas.
Como se puede apreciar, son varias las frecuencias que se pueden configurar, pero lo que interesa para el análisis Peakvue es configurar las frecuencias de fallas del rodamiento que se va a muestrear. Esta operación es simple pero de gran utilidad, ya que con esta se puede identificar gráficamente cual de los elementos del rodamientos esta fallando incipientemente.
El programa tiene una base de datos con las frecuencia de fallas de los rodamientos solo se necesita identificarlo según en número que se le da en el programa.
5.6.2 Configuración del parámetro de adquisición.
Según lo observado en la figura 5.12 lo siguiente es configurar el parámetro de adquisición haciendo doble click en la frase Análisis Parameter Set Información.
Como lo que se requiere es crear un nuevo parámetro lo que debe de hacer es presionar la tecla Add Set.
Fig. 5.13 Creación del parámetro de adquisición.
Al seleccionar esta opción aparece un mensaje, en el que el programa solicita que se identifique el nuevo parámetro de adquisición.
Fig. 5.14 Mensaje para la identificación del parámetro de la identificación.
