Analisis De Vibraciones

CAPITULO 1

ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN EL CAMPO DE LA INGENIERÍA MECÁNICA.

Vibraciones en Maquinas.

El análisis de vibraciones es un parámetro importante, el cual sirve como indicador de la condición mecánica de una maquinaria y a su vez se utiliza como una herramienta de predicción para la localización de un defecto, que por lo general cuando suceden fallas, estas son precedidas con anticipación, con un cambio de vibración en las mismas.

Las vibraciones permiten determinar la vida útil de una maquinaria, y se presenta de dos maneras:

Bajo nivel de vibraciones, lo relacionaremos con un largo periodo de vida.

Alto nivel de vibraciones, la maquina estará sujeta a algún tipo falla.

Relación Fuerzas-Vibraciones.

La forma más simple de explicar el origen de las vibraciones es mediante un análisis dinámico a un cuerpo y posteriormente obtener una relación Fuerza-Vibración.

En la Figura 1.1, se asumirá una unidad conducida de cierta maquina y una excelente alineación entre la unidad conducida y conductora a través del acoplamiento A, como entre los apoyos B y C, los cuales sujetan al eje ABCD, y la única condición es el desbalance existente en el rotor D el cual cuenta con su fuerza dinámica.

Figura 1. 1. Ejemplo de la relación fuerzas – vibraciones.

FUENTE: (PALOMINO, 2007)

PALOMINO, Evellio. 2007. Elementos de Medicion y Analisis de Vibraciones de Maquina Rotativas. Habana : Poliecnico Jose Antonio Echeverria, 2007. ISBN 959-261-043-6.

Por su parte, la Figura 1.2a, debido a la rotación del elemento con frecuencia fo, existirá el desbalance, generando las reacciones en los apoyos B y C. Estas reacciones se determinan según las siguientes expresiones:

R_(BX ) (t)=F_d (c/b)sen(2πf_o t); R_(cx ) (t)=F_d (1+c/b)sen(2πf_o t)

Ecuación 1. 1. Determinación de Reacciones.

Cabe recalcar que ambas reacciones son de naturaleza dinámica, ya que son originadas por la fuerza también dinámica del desbalance del rotor.

En la Figura 1.2b, analizando el apoyo B, por la fuerza dinámica se representa la componente horizontal (eje x), la cual produce un desplazamiento x_B (t), que dependerá de la magnitud de la fuerza y de la rigidez del apoyo en la dirección horizontal K_Bx:

x_B (t)=1/k_Bx R_Bx (t)

Ecuación 1. 2. Determinación de Desplazamiento.

Figura 1. 2. a) Diagrama de distribución de fuerzas - b) Relación fuerzas – desplazamiento

FUENTE: (PALOMINO, 2007)

Entonces, para ambos apoyos, tenemos los siguientes desplazamientos:

X_(B ) (t)=F_d/k_BX (c/b)sen(2πf_o t); X_(c ) (t)=F_d/k_BX (1+c/b)sen(2πf_o t)

Ecuación 1. 3. Determinación de Desplazamientos de Vibraciones.

Observe que en la Figura 1.3, se representa gráficamente el desplazamiento dinámico en ambos apoyos, con amplitudes XB y XC y tiene lugar en el dominio del tiempo, según una función senoidal cuya frecuencia es fo, y se obtiene las siguientes expresiones:

x_B=Fd/k_Bx (c/b); x_C=Fd/k_Cx (1+c/b);

Ecuación 1. 4. Amplitudes en los Apoyos.

Otra representación se da en el dominio de la frecuencia, y los espectros de representación del contenido de amplitudes y frecuencias de una señal dinámica muestran una línea frecuencia fo, con amplitudes XB y XC.

Figura 1. 3. Representación temporal y espectral de las vibraciones debidas al desbalance.

FUENTE: (PALOMINO, 2007)

Recordemos que para la explicación del ejemplo, se ha simplificado muchas condiciones, ya que en realidad el desbalance no es el único problema que afecta el estado mecánico de una maquinaria. Por lo que generalmente las vibraciones se mostraran en el dominio de tiempo como en la Figura 1.4a).

Mientras que en el dominio de la frecuencia, Figura 1.4b), no solo se observara una línea, mas bien, se observarán tantas como frecuencias contengan los registros de vibraciones.

Las dos formas de observación son validas, pero para obtener mejores resultados se debe contar con una instrumentación adecuada para registrar los niveles de vibración.

Como resultado, la Figura 1.4a, es empleada generalmente durante la etapa de detección dentro de un Programa de Mantenimiento Predictivo y la representación espectral de la Figura 1.4b, es empleada por excelencia como parte de la etapa de identificación dentro del propio Programa de Mantenimiento Predictivo, para de esta forma determinar el momento oportuno y corregir de manera eficaz una posible avería.

Figura 1. 4. Formas de observación de las vibraciones.

FUENTE: (PALOMINO, 2007)

Caracterización de las vibraciones en maquinarias.

Hoy en día la mayor parte de industria utiliza el sistema de análisis de vibraciones con el fin de establecer cuál es el estado de las máquinas y en particular de sus elementos más críticos y de esta manera poder prevenir fallas que terminen con las mismas o una producción.

Para establecer las características de las vibraciones, se inicia explicando que es la vibración, la cual se expresa como una oscilación perceptible y medible en la superficie de una máquina.

Según la norma ISO 2041:

“VIBRACIÓN es toda variación en el tiempo, de una magnitud que describe el movimiento o la posición de un sistema mecánico, cuando esta magnitud es alternativamente mayor o menor que cierto valor promedio o de referencia.”

“VIBRACIÓN LINEAL es una vibración en la cual la trayectoria vibratoria de un punto tiene lugar según una línea recta.”

Esas vibraciones y esfuerzos son transmitidos por rodamientos, cojinetes o cualquier elemento sujeto que conforme una de ellas.

Al momento de analizar las vibraciones, se cuantificaran las frecuencias y amplitudes a través de un dispositivo que convierta éstas señales en un producto medible. Con esto la FRECUENCIA describirá el problema en la maquina y la AMPLITUD dirá cuan severo es el problema.

Las vibraciones son de tres tipos:

Vibración armónica

Vibración periódica.

Vibración aleatoria.

Vibración Armónica.

Caracterizada por una onda sinusoidal, es la forma más simpe de la vibración, que puede ser generada en sistemas lineales debido a la presencia de algún problema potencial. Una vibración se denomina armónica si la relación entre el parámetro de la vibración y el tiempo contando con una única frecuencia donde está dada por:

y_((t) )=Ysen(ωt+φ)

Ecuación 1. 5. Vibración Armónica.

Donde:

φ : es el ángulo

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