5.3 MEDICION DE LA VIBRACION

La vibración de un elemento mecánico, como un eje o la carcasa de una maquinaria rotativa, es el movimiento altamente rápido a lo largo de una pequeña distancia.Esta vibración existe, siempre que el sistema responda a una excitación, generalmente referida a la función de una fuerza. Así podemos decir que el estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos de los cuerpos y a las fuerzas asociadas con ellos. Todo cuerpo que tenga masa y elasticidad es capaz de vibrar.

Análisis de la vibración

En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición de equilibrio es a la que llegara cuando la fuerza que actúa sobre él se acero. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero, lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma dirección en cualquier momento.El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una combinación de movimientos individuales de 6 tipos diferentes. Esos son translaciones en las tres direcciones ortogonales X, Y, y Z y rotaciones alrededor de los ejes X, Y y Z.

Medición de la amplitud de la vibración

Las definiciones siguientes son de aplicación a la medición de la amplitud de las vibraciones mecánicas.

Amplitud pico (PK):Es la distancia máxima de la onda del punto cero o del punto de equilibrio.

Amplitud pico a pico (PK-PK):Es la distancia de una cresta negativa hasta una cresta positiva.

En el caso de una onda senoidal, el valor pico a pico es exactamente dos veces el valor pico, ya que la forma de la onda es simétrica.Amplitud raíz del promedio de los cuadrados (RPC). –es la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda senoidal el valor RPC es igual a 0.707 del valor pico, pero es solo valido en el caso de una onda senoidal. El valor RPC es proporcional al área debajo de la curva. Si se rectifica a los picos negativos, eso quiere decir si se les hace positivo, y el área debajo de la curva resultante esta promediado hasta un nivel medio este nivel es proporcional al valor RPC.

Amplitud de la vibración

Vibración en turbomaquinas

Primero, es natural que todas las maquinas vibren y hagan ruido, hasta las maquinas en el mejor estado operacional posible presentaran alguna vibración y ruido debido principalmente a su principio de operación y otras causas, por lo tanto, cada máquina principalmente

a su principio de operación y otras causas, por lo tanto, cada máquina ya sea un turbocompresor que funcione a 10300 rpm o un turbogenerador a vapor, un torno o una aspiradora tendrá un nivel de vibración y ruido que pueda considerarse normal o inherente.

Segundo, si la vibración que produce una maquina aumenta sobre su nivel normal, las causas más probables es que se deba a un defecto mecánico que se haya generado en su funcionamiento, por ejemplo: desalineamineto, rozamiento, piezas sueltas, juego excesivo, etc.

Cada defecto mecánico genera una vibración y un ruido propio lo que hace posible identificar un problema de modo positivo simplemente midiendo y tomando nota de sus ruidos y vibraciones características. la vibración y ruido se han aceptado como índice eficaces del estado de una maquinaria, se tiene programas en cuanto a la medición del ruido de la vibración, el análisis de maquinaria en funcionamiento y el control de la producción son importantes con el fin de evitar paros inesperados por averías costosas.

Efectos de la vibración en los compresores de gas

El aumento permanente de las potencias en máquinas, junto con su disminución simultánea de gastos de materiales, y la alta exigencia de la calidad y productividad industrial, hace que el análisis en las máquinas y en las instalaciones industriales sean cada vez más exacto. El fenómeno de las vibraciones mecánicas deben ser tomadas en cuenta para el diseño, la producción, el empleo en las máquinas y equipos de automatización.La razón principal para analizar y diagnosticar el estado de una maquina es determinar las medidas necesarias para corregir la condición de vibración, reducir el nivel de fuerzas vibratorias no deseadas y no necesarias. De maneras que el interés principal deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de la vibración, la determinación de las causas y la corrección del problema que ellas representan.Básicamente se encuentra estrechamente relacionadas con tolerancias de mecanización, desajustes, movimientos relativos entre superficie en contactos, desbalances de piezas de rotación u oscilación, etc.

En mayor de los casos los problemas mecanismos son los que provocan alta vibración, se hacemos una relación de las causas más frecuentes enumeraremos las siguientes:

Vibración debido a desbalance Vibración debido a la falta de alineamiento Vibración debido a excentricidad Vibración debido a los elementos rotantes defectuosos Vibración debido a rodamientos de chumaceras

defectuososo Holguras excesivas de los rodamientos

o Torbellinos de aceite

o Torbellinos de histéresis

Vibración debido a una lubricación inadecuada Vibración debido al aflojamiento mecánico Vibración debido a las bandas de accionamiento Vibración debido a fallas eléctricas

Vibración debido a desbalance

El desbalance de las maquinas es una de las causas más comunes de la vibración. En muchos casos, los datos arrojados por un estado de desbalance indican:

La amplitud de la vibración se manifiesta en 1x las rpm de la pieza desbalanceada

La amplitud es proporcional a la cantidad de desbalance El análisis de la fase indica lecturas de fase estables La fase se desplaza 90°

Vibración debido a la falta de alineamiento

En la mayoría de los casos los datos derivados de una condición de una falta de alineamiento indican lo siguiente:• La frecuencia de la vibración es de 1x las rpm; también

2x y 3x las rpm en los casos de una grave falta de alineamiento.

• La amplitud de la vibración es proporcional a la falta de alineamiento

• El análisis de la fase muestra lecturas de fases inestablesLa falla de alineamiento, aun con acoplamientos flexibles, produce fuerzas tanto radial como axial que su vez, producen vibraciones radiales o axiales.Unos de los principales indicios más importantes de problemas debidos a la falta de alineamientos y a ejes torcidos es la presencia de una elevada vibración en ambos sentidos, radiales y axiales. En general, cada vez que la amplitud de la vibración sea mayor que la mitad de la lectura radial más alta, hay un buen motivo de sospechar la existencia de un problema de alineamiento o eje torcido.

Vibración debido a la excentricidad

La excentricidad es otra de las causas comunes de la vibración en la maquinaria rotativa. Excentricidad en este caso no significa “ovalizacion”, si no es que la línea central del eje no es la misma que la línea central del rotor, el centro de rotación verdadero difiere de la línea central geométrica.La excentricidad es en realidad una fuente común de desbalance, y se debe a un mayor peso de un lado del centro de rotación que del otro.

Una manera para diferencia entre desbalance y excentricidad en este tipo de motor es medir la vibración con filtro afuera mientras el motor está funcionando bajo corriente. Luego se desconecta el motor, observando el cambio de la amplitud de vibración. Si la amplitud sed reduce gradualmente mientras el motor sigue girando por inercia, es muy probable que el problema sea debido al desbalance; si en cambio, la amplitud de la vibración desaparece en el momento mismo en que el motor es desconectado, el problema es seguramente de naturaleza eléctrica, y es muy posible que se deba excentricidad del inducido.La excentricidad en rodetes o rotores de ventiladores, sopladores, bombas y compresores pueden crear también fuerzas vibratorias. En este caso las fuerzas son el resultado de fuerzas aerodinámicas e hidráulicas desiguales que actúan contra el rotor.

Vibración debido a los elementos rodantes defectuosos

Defectos en las pistas, en las bolas o en los rodillos de rodamientos de elementos rodantes ocasionan vibraciones de alta frecuencia; y lo que es más, no es necesariamente un múltiplo integral de la velocidad de rotación del eje. Es la amplitud de la gravedad de la falla de rodamiento.

La vibración generada por los rodamientos no es transmitida a otros puntos de la máquina. Por lo tanto el rodamiento defectuoso es generalmente el que se encuentra más cerca del punto donde ocurre el mayor nivel de vibración de este tipo. Los rodamientos no fallan prematuramente al menos que alguna otra fuerza actué sobre ellos; y tales fuerzas son generalmente las mismas que ocasionan vibración.Causas comunes de fallas en los rodamientos de elementos rodantes:

Carga excesiva Falta de alineamiento Montaje defectuoso Ajuste incorrecto Lubricación inadecuada o incorrecta Sellado deficiente Corriente eléctrica Defecto de asiento de eje

Vibración debida a rodamientos de chumaceras defectuosos

Elevados niveles de vibración, ocasionados por rodamientos de chumaceras defectuosas, son generalmente el resultado de una holgura excesiva (causada por desgaste debido a una acción de barrido o por erosión química), aflojamientos mecanismos o problemas de lubricación. Como los siguientes:

Holgura excesiva de los rodamientos

Un rodamiento de chumaceras con holgura excesiva hace que un efecto relativamente de menor importancia, tal como el leve desbalance o una pequeña falta de alineamiento, u otra fuerte de fuerzas vibratorias, se formen como resultados de aflojamientos mecánicos o en golpes repetitivos.

Torbellinos de aceiteEste tipo de vibración ocurre solamente en máquinas equipadas con rodamiento de chumaceras lubricadas a presión, y que funcionen relativamente altas, normalmente por la segunda velocidad critica del motor.El problema de los torbellinos de aceites normalmente se atribuye a diseños incorrectos de rodamiento, desgaste excesivo del rodamiento, un aumento de la presión del lubricante o cambio de la viscosidad del aceite.

Torbellinos de histéresisEste tipo de vibración es similar a la vibración ocasionada por el torbellino de aceite, pero ocurre en frecuencias diferentes, cuando el rotor gira entre la primera y la segunda velocidad crítica.

Vibración debido a una lubricación inadecuada

Una inadecuada lubricación, incluye la falta de lubricación y el uso del lubricante incorrecto puede ocasionar problemas de vibración en un rodamiento de chumacera. En semejante casos de lubricación inadecuada causa excesiva fricción entre el rodamiento estacionario y el eje rotante, y dicha fricción induce vibración en el rodamiento y en las demás piezas relacionadas.

Este tipo de vibración se llama “dry whip”, o látigo seco. La frecuencia de la vibración o látigo seco generalmente es muy alta y produce el sonido chillón característico que está funcionando en seco.

Vibración debido al aflojamiento mecánico

El aflojamiento mecánico y la acción de golpeo resultante producen vibraciones a una frecuencia que a menudo es 2x, y también múltiplos mas elevados, de las rpm. La vibración puede ser resultado de pernos de montaje sueltos, de holguras excesivas en los rodamientos o de fisuras en la estructura o en el pedestal de soporte.La vibración característica de un aflojamiento mecánico es generada por alguna fuerza de excitación, como un desbalance o falta de alineamiento, el aflojamiento mecánico transforma cantidades relativamente pequeñas de desbalance por falta de alineamiento a amplitudes de vibración excesivamente altas.

Vibración debido a las bandas de accionamiento

Los problemas de la vibración asociadas con las bandas en “v” son clasificadas por:

Reacción de la banda a otras fuerzas, originadas por el equipo presente, que causa alteración.

Vibración creada por los problemas de la banda en sí.Si las bandas están reaccionando a otras fuerzas de alteración, tales como desbalance o excentricidad en las poleas, la frecuencia de las bandas será muy probablemente igual a la frecuencia de las bandas será muy probablemente igual a la frecuencia alterante y si es defecto de la banda la

frecuencia de la vibración será un múltiplo integral de 1, 2,3 o 4 de las rpm de la banda.Para determinar las rpm de las bandas se utiliza la siguiente ecuación:

Rpm de la banda =(3.14∗diametro de la polea∗rpmde la polea)longitudde labanda

Vibración debido a fallas eléctricas

Este tipo de vibración es normalmente el resultado de fuerzas magnéticas desiguales que actúan sobre el rotor o estator. Dichas fuerzas desiguales pueden ser debidas a:

El rotor no es redondo Chumaceras del inducido que son excéntricas Falta de alineamiento entre el rotor y el estor Perforación elíptica del estator Devanados abiertos o en corto circuito Hierro del rotor en corto circuito

Las vibraciones coaccionadas por los problemas eléctricos responden generalmente a la cantidad de carga colocada en el motor. A medida que se modifica la carga, la amplitud y las lecturas de fase pueden indicar cambios significativos. Esto explica por qué los motores eléctricos que hayan sido probados y balanceado en condiciones sin carga muestran cargos drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en servicio.

Consecuencias de las vibraciones

La mayor parte de vibraciones en máquinas y estructuras son indeseables porque aumentan los esfuerzos y las tensiones y por las pérdidas de energía que las acompañan. Además, son fuente de desgaste de materiales, de daños por fatiga y de movimientos y ruidos molestos.

“Todo sistema mecánico tiene características elásticas, de amortiguamiento y de oposición al movimiento; unas de mayor o menor grado a otras; pero es debido a que los sistemas tienen esas características lo que hace que el sistema vibre cuando es sometido a una perturbación ".

“Toda perturbación se puede controlar, siempre y cuando anexemos bloques de control cuya función de transferencia sea igual o invertida a la función de transferencia del sistema ". 

“Si la perturbación tiene una frecuencia igual a la frecuencia natural del sistema, la amplitud de la respuesta puede

exceder la capacidad física del mismo, ocasionando su destrucción”

Las vibraciones mecánicas representan un factor de gran influencia en la calidad del trabajo que se realiza con máquinas herramientas.

La rigidez de los órganos de trabajo y de sus apoyos en la máquina herramienta, se define como la capacidad del sistema para resistir cargas exteriores, asimilando las deformaciones elásticas admisibles sin alterar considerablemente la capacidad de trabajo del sistema

Las deformaciones provocadas en el sistema provocan variación de la mutua disposición del instrumento cortante y la pieza, lo cual genera error en su mecanizado.Cuando un sistema tiene buenas condiciones de rigidez, se minimizan las causas y los efectos de las vibraciones.

Diagramación de causa efecto de las vibraciones en Máquinas