MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) Especialización en Confiabilidad Operacional Universidad Simon Bolivar, Octubre 2001

Procesos de Deterioro I: Medición y Análisis de Vibraciones Prof. Sergio E. Diaz Laboratorio de Dinámica de Máquinas Universidad Simon Bolivar (212) 906 4136 [email protected]

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

NEGOCIO (generación de riqueza y bienestar)

PRODUCCION de Bienes y/o Servicios

OPERACION de plantas y/o equipos

Deterioro de su Condición: degradación química y/o mecánica que afecta su operatividad

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Deterioro de la Condición de Equipos -Estáticos -Dinámicos

Proceso Gradual Progresivo de modificación de las condiciones de operación

ES CUANTIFICABLE!!!!!!

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

1

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Monitoreo de la Condición

Medición sistemática de variables asociadas e indicativas de la condición del equipo: • • • • • •

Niveles de Vibración Temperatura Espesores de Pared Contaminación de fluidos Propiedades del lubricante etc.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Monitoreo Sistemático de la Condición

Registro Histórico de la Condición del Equipo

Identificación de Tendencias

No Hay Sorpresas

Confiabilidad Operacional

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Variables Asociadas o Indicadoras

Mecanismos de Deterioro

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

2

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Mecanismos de Deterioro •Desgaste o Modificación dimensional •Erosión o pérdida de material •Degradación química o mecánica, pérdida de propiedades (fatiga, reacción química, corrosión, envejecimiento) •Acumulación de sedimentos o intrusiones •Problemas de operación •otros

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Variables Asociadas e Indicadores •Vibración •Temperatura •Propiedades de Aceites •Espesores de Pared •Presencia de contaminantes •Resistencia Eléctrica •Parámetros operativos (presiones de entrada, salida e intermedias, caudal o flujo, velocidad, calidad del producto final) •Ruido •Otras.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Técnicas de Monitoreo •Análisis de vibraciones •Análisis “Tribológico” o de aceites •Termografía •Ultrasonido •Liquido penetrante •Resistencia Eléctrica •Flujo Magnético, corriente •Análisis visual (boroscopio) •Registro de Variables de proceso •Otras.

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

3

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Técnicas de Monitoreo

•Ninguna proporciona la verdad absoluta •Ninguna es completa por si sola •Es necesario combinarlas eficientemente para asegurar una determinación confiable de la condición.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Técnicas de Monitoreo •Todas permiten cuantificar de alguna manera la “condición” del equipo •Es posible establecer niveles y patrones (numéricos) aceptables o normales de funcionamiento •Permiten fijar niveles de alarma basados en especificaciones del fabricante, normas y/o experiencia previa •Por análisis de tendencias es posible predecir el comportamiento futuro y la posibilidad de una falla dentro de ciertos rangos de confiabilidad.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Identificación de Procesos de Deterioro más comunes Árbol Lógico de Falla Planta

Equipos Dinámicos

Turbomaquinas

Bombas

Equipos estáticos

Valvulas

Instrumentation

tuberias

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

4

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Medición y Análisis de Vibraciones •Permite cuantificar el deterioro o la condición de equipos dinámicos •Permite discernir entre diferentes causas de problemas •Permite establecer la severidad •Permite, por medio del establecimiento de tendencias, predecir posibles fallas.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Medición y Análisis de Vibraciones •¿Por que vibran las maquinas? •¿Qué características diferencian su comportamiento? •¿Como puede medirse y analizarse la vibración de una maquina? • ¿Como puede relacionarse la vibración medida con la condición de los componentes de la maquina?

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Causas de Vibración •Desbalanceo •Eje doblado •Desalineación •Inestabilidad hidrodinámica (en cojinetes, sellos o rodetes) •Desgaste o daños en elementos tribologicos (rodamientos, engranajes, cojinetes, acoplamientos) •Roce entre partes en rotacion y estacionarias •Holgura mecanica excesiva •Apriete inadecuado •Resonancias estructurales •Grietas en los rotores

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

5

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Es un movimiento oscilatorio que puede o no ser periódico (ocupa la misma posición en un mismo tiempo).

VIBRACION

Ejemplo:Péndulo

Generalmente se transforma energía potencial en energía cinética. Se rigen bajo la ecuación:

MX'' + CX' + KX = F(t)

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

ACUMULADORES DE ENERGIA B) Energía Potencial

A) Energía Cinética Partícula

-Masa

-Resorte -Masa -Elementos elásticos

Cuerpo rígido -Volantes inercia

NOTA:

Algunos sistemas pueden utilizar métodos de análisis que puedan llevarlos a ser lineales siendo originalmente no-lineales , pero muchos otros tendrán que ser analizados en forma no-lineal

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

x

PIR

M

x

K

PEE

Análisis de la ecuación:

M X(t)'' + C X(t)' + K X(t) = F(t)

La respuesta es de la forma:

X(t) = Xh(t) + Xp(t)

... Xh ... Xp

Respuesta Homogénea Respuesta Particular

* Amplitud RMS está relacionada con la energía

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

6

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES 2.5

X 2

Amplitud Cero-Pico

Amplitud Pico-Pico

1.5

1

Xo …PEE

OFFSET

0.5

0 0

1

2

3

4

5

6

t

T = 1/f

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

CONCEPTOS BASICOS DE VIBRACIONES:

Armónica simple F (t ) = F0 × sen(ω ⋅ t + α )

Periódicas

Armónica compuesta F (t ) = F1 × sen(ω1 ⋅ t + α 1 ) + F2 × sen(ω 2 ⋅ t + α 2 )

F(t) No periódicas NOTA

Las funciones periódicas pueden representarse utilizando series de Fourier.

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

M X ' '+CX '+ kX = F0 ⋅ sen(ω ⋅ t ) X p (t ) = A ⋅ sen(ω ⋅ t ) + B ⋅ cos(ω ⋅ t ) = Χ ⋅ sen(ω ⋅ ⋅t + φ ) = D ⋅ ei⋅ω⋅t

X p (t ) = Κ=

F0 ⋅Κ ⋅ sen(ω ⋅ t + φ ) k 1

(1 − r ) + (2 ⋅ ξ ⋅ r ) 2 2

2

K ... FACTOR DE AMPLIFICACION DINAMICO

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

7

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Κ=

Χ Fo k

RETRASO DE FASE

 − 2 ⋅ξ ⋅ r  φ = tan −1   2  1− r 

ξ=

C 2⋅ k ⋅M

r=

ω ωn

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

FRECUENCIAS

k M

FRECUENCIA NATURAL

ωn =

FRECUENCIA AMORTIGUADA

ωd = ωn ⋅ 1−ξ 2

FRECUENCIA CRITICA

ω c = ω n ⋅ 1 − 2 ⋅ξ 2

Error =

(

)

ωn −ωd × 100 = 1 − 1 − ξ 2 × 100 ωn

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

MEDICION DE LA FRECUENCIA NATURAL Χ X p (t ) =

ΧΚ =

F0 ⋅ Κ ⋅ sen(ω ⋅ t + φ ) k Fo1 / k

(1 − r ) + (2 ⋅ ξ ⋅ r ) 2 2

2

Xo Fo / k

T

r

La ωn no puede ser determinada experimentalmente, ya que no existe sistema real que no presente amortiguacion en lo absoluto. Para determinar ωn es necesario determinar ωd o ωcritico empleando las ecuaciones anteriores.

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

8

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

SISTEMAS DE MULTIPLES GRADOS DE LIBERTAD

n ... Número de grados de libertad Mnxn{x''}n+ Cnxn{x'}n+ Knxn{x}n= {F(t)}n {x} = {Χ} e iωt [M]{x''}+[K]{x} = {F(t)} - [C]{x'} F(t)

Por analogía {x(t)} = {xh(t)} + {xp(t)}

Solución homogénea: {xh(t)} = {X} e iωt → {xh'(t)} = iω{X} e iωt {xh''(t)} = -ω2{X} e iωt

[-ω2 M +K]{X} e iωt = {0}

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Solución particular: F(t) = {F}e iωt ⇒ M{x''}+ C{x'}+ K{x} = {F}e iωt [-ω2 M +i ω C + K]{X}e iωt = {F}e iωt ⇒ {X} = [-ω2 M +i ω C + K]-1{F} x bi1p1 bi2p2 xi(t) = bi1p1 + bi2p2 + ... + binpn

ωc1

ωc2

ω

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

MEDICION DE LA VIBRACION

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

9

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Sistemas Analizados PASIVOS

No necesitan un excitador

ACTIVOS

Para vibrar necesitan ser excitados

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer) Vs

X x

Rango lineal

Núcleo Ferromagnético Bobina Primaria

Bobina secundaria Vo (AC)

Mide el desplazamiento absoluto ya que la carcasa se encuentra fija a tierra

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Transductor de proximidad de reluctancia variable

Vs

Material Ferromagnético

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

x

10

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Transductor de Resistencia Variable Vo

Rm

Vs =

Vs

x ∗Vo L

x

L

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Corrientes de Eddy (Sensor de proximidad) 10-100MHz

Condicionador V V

Probeta d

d

Material Ferromagnético

Rango de operación

No necesitan contacto físico y por ello son muy utilizados en la medición de vibraciones en ejes

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Transductores Sísmicos: Sismógrafo

s

M C

y

K

X

Entrada *

F.T.

= Salida

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

11

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Vibrómetros

Masa Sísmica (Imán Permanente) M

Vs

X •No necesitan amplificador •Son de gran tamaño

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Acelerómetros Masa Sísmica Cristal Piezoeléctrico

M Vs, q

•Necesitan amplificador •Son pequeños

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Criterios de Aplicabilidad

Acelerómetro Vibrómetro Proximitor 1 Hz

10 KHz

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

30 KHz

12

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Celdas de Carga F

Cristal Piezoeléctrico

Vs, q

Este tipo de instrumento NO sirve para realizar mediciones de señales estáticas.

F

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Instrumentos Para Generar Excitación

Inerciales: •La fuerza se produce por el desbalance. •Los dos discos deben estar acoplados para rotar a la misma velocidad. F=Fo*sen(ωt)

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Shaker Electromagnético

V1

•La fuerza se produce por variación del campo magnético •Mucho más versátiles que los inerciales

F=Fo*sen(ωt)

V2

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

13

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES Prof. Sergio E. Diaz ([email protected]) MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Martillo de Impacto Celda de Carga N

ω

Las frecuencias excitadas dependen del tipo de impacto

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Montaje de Sensores

Tornillo

Cera

... Apernado ... Cera de abeja (2000 Hz)

Base con tornillo Epoxy

... Epoxy (1500 Hz)

MEDICION Y ANALISIS DE VIBRACIONES

Cinta

... Cinta Adhesiva (1000 Hz)

Imán

... Base Magnética (500 Hz)

Punta

... Jinete (300 Hz)

Laboratorio de Dinamica de Maquinas Universidad Simon Bolivar http://www.ldm.laba.usb.ve

14