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CAPITULO IV
ANALISIS ESPECTRAL DE VIBRACIONES
4.1 INTRODUCCIÓN.
Hoy en día es importante considerar en las grandes y medianas industrias la
implementación de una estrategia de mantenimiento predictivo-proactivo para
aumentar la vida útil de la maquinaria, de esta forma asegurando su disponibilidad y
la productividad de la Planta.
Las herramientas de software (LabVIEW) encaminadas al análisis de vibración así
como el análisis de orden y el análisis espectral de la corriente, en complemento
proponen llegar a un diagnostico correcto del estado de máquinas rotatorias,
convirtiéndose éste método traductor que permitiría entender “el lenguaje” de las
máquinas rotatorias en general, con el fin de detectar oportunamente estados de falla
incipientes, el buen uso de esta herramienta garantiza una valiosa contribución para
las áreas de producción, operaciones, gestión de repuestos, seguridad industrial y
planificación del mantenimiento.
Figura 4.1, Análisis espectral de vibración Fuente: Brûel & Kajaer, Order Tracking Analysis, TECHNICAL REVIEW N° 2 1995, p1
2
El presente trabajo esta dirigido ha realizar pruebas en un motor eléctrico de
inducción jaula de ardilla de 1 HP de potencia, con diversos enlaces de potencia
mecánica (que se especificaran posteriormente), con el fin de demostrar la
versatilidad de este método de monitoreo.
Figura 4.2. Métodos de enlazar potencia mecánica Fuente: Los autores
La vibración posee características que hacen posible el diagnóstico de distintas fallas
a través de su medición, registro y análisis, para ello hemos considerado la actitud de
que toda maquinaria vibra implícitamente como parte de su operación normal, por lo
que una de las tareas del analista es identificar aquellas que deben ser corregidas y
determinar un nivel de vibraciones tolerable, e identificar los niveles anormales de
amplitud de vibración que son consecuencia de la presencia o avance de alguna falla.
La gran mayoría de las fallas mecánicas generan señales de vibración con patrones
característicos.
La prevención de posibles fallas en maquinarias es necesaria para una operación
confiable y segura de una Instalación. El riesgo de fallas y el tiempo en que una
maquinaria queda fuera de servicio pueden disminuirse, sólo si los problemas
potenciales son anticipados y evitados.
En general, las vibraciones en una máquina no son buenas: pueden causar desgaste,
fisuras por fatiga, pérdida de efectividad de sellos, rotura de aislantes, ruido, etc.
Pero al mismo tiempo las vibraciones son la mejor indicación de la condición
mecánica de una maquinaria y pueden ser una herramienta de predicción muy
sensible de la evolución de un defecto. Las fallas catastróficas en una maquinaria
3
muchas veces son precedidas, a veces con meses de anticipación, por un cambio en
las condiciones de vibración de la misma.
Las vibraciones en una maquinaria están directamente relacionadas con su vida útil
de dos maneras: por un lado un bajo nivel de vibraciones es una indicación de que la
máquina funcionará correctamente durante un largo período de tiempo, mientras que
un aumento en el nivel de vibraciones es una indicación de que la máquina se
encamina hacia algún tipo de falla, ya que cerca del 90% de las fallas en
maquinarias están precedidas por un cambio en la característica de vibración.
Figura 4.3, Proceso del mantenimiento preventivo Fuente: Sonotest, Tecnologías Predictivas, www.sonotest.com
El período de mal funcionamiento esta dado por el empeoramiento a medida que
pasa tiempo, hasta llegar a la condición de falla, estado al que no se debería llegar
para realizar mantenimiento, en la figura 4.4 el avance y la caída de la curva indica
mayor gasto al aplicar mantenimiento.
Figura 4.4, Avance de la severidad de la falla en relación al costo de reparación Fuente: Sonotest, Tecnologías Predicativas, www.sonotest.com
4
4.2 VIBRACIÓN.
La vibración es un movimiento, trepidatorio o de vaivén desde una posición de
equilibrio hasta otra posición máxima. La vibración se puede considerar como la
oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de
equilibrio, que permite a un cuerpo (elemento o partícula) recuperar respectivamente
su posición original, Si el movimiento se repite con todas sus características con
valores de magnitud razonablemente semejantes en un cierto intervalo de tiempo, se
puede decir que la vibración es periódica.
Oscilación es la variación, normalmente en función del tiempo, de la magnitud de
una cantidad respecto a una referencia especificada, cuando la magnitud es
alternativamente mayor y menor que la referencia
El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente
como una combinación de movimientos individuales de 6 tipos diferentes. Esos son
traslaciones en las tres direcciones ortogonales x, y, y z, y rotaciones alrededor de los
ejes x, y, y z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se puede
descomponer en una combinación de esos seis movimientos. De manera que se dice
que posee seis grados de libertad.
Existen dos tipos generales de vibración:
Ø Vibraciones libres
Ø Vibraciones forzadas
4.2.1 LA VIBRACIÓN LIBRE.
Ocurre cuado un sistema oscila bajo la acción de fuerzas inherentes al mismo
sistema, es decir no existe ninguna fuerza aplicada o estas son nulas.
4.2.2 LA VIBRACIÓN FORZADA.
Es la que ocurre cuando existe excitación de fuerzas externas al sistema, como
ejemplo podría citarse al caso de una fuerza ejercida por la fuerza centrifuga de una
masa no compensada de un elemento rotatorio (desbalance mecánico)
5
4.3 MOVIMIENTO.
4.3.1 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE.
El movimiento más sencillo que pueda existir es el movimiento en una dirección, de
una masa controlada por un resorte único. Este sistema mecánico se llama sistema
resorte-masa, con un grado único de libertad. Si se desplaza la masa, hasta una cierta
distancia del punto de equilibrio, y después se suelta, el resorte la regresará al
equilibrio. Para entonces, la masa tendrá algo de energía cinética y rebasará la
posición de descanso y desviará el resorte en la dirección opuesta. Perderá velocidad
hasta pararse en el otro extremo de su desplazamiento donde el resorte volverá a
empezar el regreso hacia su punto de equilibrio. El mismo proceso se volverá a
repetir con la energía transfiriéndose entre la masa y el resorte, desde energía cinética
en la masa hasta energía potencial en el resorte.
Figura 4.5, movimiento armónico simple Fuente: Los autores
Este procedimiento se desarrolla en el tiempo, asignándose como periodo el tiempo
necesario para un ciclo, o para un viaje ida y vuelta, o de un cruce del nivel cero
hasta el siguiente cruce del nivel cero en la misma dirección. El periodo se mide en
segundos o milisegundos dependiendo de que tan rápido se cambie la onda, el cual
esta inversamente relacionado con la frecuencia que es el número de eventos o ciclos
que se pueden cumplir en una unidad de tiempo (segundo) cuya unidad es el Hertz
Hz.
f 1 4.1 T
6
Figura 4.6.Parámetros del movimiento oscilatorio Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005
En la figura 4.6 podemos reconocer los distintos parámetros como es la amplitud
pico pico, la amplitud pico, valor RMS, fase y el periodo
4.3.2 ECUACIONES DE MOVIMIENTO.
Si se anota la posición o el desplazamiento de un objeto que está sometido a un
movimiento armónico sencillo contra el tiempo en una gráfica, el resultado será una
onda senoidal o seno como el indicado en la figura 4.5
Un objeto en movimiento armónico simple denota tres magnitudes físicas:
Ø Desplazamiento
Ø Velocidad
Ø Aceleración.
4.3.2.1 DESPLAZAMIENTO.
Es la distancia total que describe la parte que vibra desde un extremo a otro se
denomina desplazamiento pico a pico, en una estructura el desplazamiento relaciona
fuerzas elásticas o rigidez que ocasionan fallas por flexión.
D Dmax sen t 4.2
7
2
Para conocer la severidad de vibración de una maquina utilizando el parámetro de
desplazamiento, se deberá tener cuidado con las siguientes condiciones
Tipo de tabla de severidad referida o tipo de máquina y cimentación
Tipo de tabla de severidad referida al transductor (contacto, no contacto)
Las lecturas deberán ser filtradas
4.3.2.2 VELOCIDAD.
La velocidad es la taza de variación del desplazamiento y se encuentra desfasada 90º
del desplazamiento, en un movimiento oscilatorio la velocidad en los extremos será
cero ya que existe un cambio de dirección.
V dD dt
Vmax cos t
4.3
Por lo general se utiliza la medición de velocidad para evaluar el estado general de
las maquinas, se dice entonces que el medir la velocidad vibratoria es tomar medida
directa de la severidad de vibración. Para establecer la severidad vibratoria existen
diferentes normas de vibraciones (VDI 2056, ISO 2372 y BS 4675)
4.3.2.3 ACELERACIÓN.
Es la razón de cambio de la velocidad, se encuentra desfasado 90º de la velocidad
180º del desplazamiento. Nos relaciona fuerzas donde el equipo tendera a fallar por
flexión o pandeo. Las medicines de aceleración proporcionan indicadores excelentes
de alta frecuencia pero inadecuada respuesta a problemas de baja frecuencia.
dV dD 2 A
dt dt 2 Amax sen t 4.4
La conversión de aceleración a velocidad o de velocidad a desplazamiento es la
integración matemática. Es posible llevar a cabo estas operaciones con instrumentos
que miden la vibración y de esta manera convertir los datos de cualquier sistema de
unidades a cualquier otro. Desde un punto de vista práctico la diferenciación es un
procedimiento ruidoso en si, y muy raras veces se lleva a cabo. La integración, por
otra parte se lleva a cabo con mucha precisión, con un circuito eléctrico muy barato.
93
2d 2
Esa es una de las razones de que el acelerómetro de hecho es el transductor Standard
para medición de vibraciones, ya que su señal de salida se puede integrar fácilmente
una o dos veces para mostrar velocidad o desplazamiento.
a A sin t 4.5
v A
cos t A sin t 2
4.6
A sin t A sin t
4.7
Figura 4.7 Relación entre los parámetros de: aceleración, velocidad y desplazamiento de un mismo móvil
Fuente: Los autores
La integración no es adecuada para señales con una frecuencia muy baja (Abajo de 1
Hz), ya que en esta área el nivel de ruido se va incrementando y la precisión del
procedimiento de integración padece.
Se puede ver en la figura 4.8 las consideraciones con los mismos datos de vibración
representados como gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración tendrán
apariencias diferentes. La curva de desplazamiento pondrá el acento en las
frecuencias más bajas, y la curva de aceleración pondrá el acento en las frecuencias
más altas.
94
Figura 4.8, datos de vibración comparados como desplazamiento, velocidad y aceleración
Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005
4.3.3 VIBRACIÓN COMPLEJA
Si hay varias frecuencias forzadas, que ocurren al mismo tiempo, entonces la
vibración resultante será una suma de las vibraciones a cada frecuencia. Bajo esas
condiciones la forma de la onda resultante no será senoidal, denominada vibración
compleja, en el caso de una máquina rotativa comprenden cada uno de los
componentes que se encuentran en la máquina, más todos los golpeteos y vibraciones
aleatorias.
Figura 4.9, señal de oscilación de dos componentes
95
Fuente: Los autores
En una máquina típica rotativa, muchas veces es difícil el obtener más información
acerca del funcionamiento interno de la máquina, solamente estudiando la forma de
la onda de vibración, aunque en algunos casos el análisis de la forma de onda es una
herramienta poderosa.
Figura 4.10 Muestra en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005
4.3.4 ESTRUCTURAS MECÁNICAS
Cuando analizamos la vibración de una máquina, que es un sistema mecánico más o
menos complejo es útil considerar las fuentes de la energía de vibración y las rutas en
la máquina que sigue esta energía. La energía siempre se mueve o fluye de la fuente
de la vibración hacia el punto de absorción, donde se transforma en calor. En algunos
casos eso puede ser una ruta muy corta, pero en otras situaciones es posible que la
energía viaje largas distancias antes de ser absorbida.
El fenómeno más efectivo de absorción de energía es la fricción, que puede ser
fricción deslizadora o fricción viscosa. La fricción deslizadora tiene su origen en el
movimiento relativo de las partes de la máquina. Si una máquina tiene poca fricción,
su nivel de vibración tiende a ser muy alto, ya que la energía de vibración se va
incrementando debido a la falta de absorción. Por otra parte, una máquina con una
fricción más considerable tendrá niveles de vibración más bajos, ya que su energía se
absorbe más rápidamente. Por ejemplo, una máquina con rodamientos a elementos
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rodantes (muchas veces se le llama rodamientos anti-fricción) vibra más que una
máquina con chumaceras, donde la película de aceite absorba una cantidad
importante de energía. La razón porque las estructuras de aviones son remachadas en
lugar de soldadas en una unidad sólida, es que las juntas remachadas se mueven
ligeramente y absorben la energía por medio de la fricción deslizadora. Eso impide
que las vibraciones se incrementen hasta niveles destructivos, una estructura de este
tipo se dice que está altamente amortiguada, donde el parámetro de amortiguamiento
es la medida la capacidad de absorción de energía.
4.3.5 FRECUENCIA NATURAL
De cualquier estructura física se puede hacer un modelo en forma de un número de
resortes, masas y amortiguadores. Los amortiguadores absorben la energía pero los
resortes y las masas no lo hacen.
Como lo vimos en la sección anterior, un resorte y una masa interactúan uno con
otro, de manera que forman un sistema que hace resonancia a su frecuencia natural
característica. Si se le aplica energía a un sistema resorte-masa, el sistema vibrará a
su frecuencia natural, y el nivel de las vibraciones dependerá de la fuerza de la fuente
de energía y de la absorción inherente al sistema. . La frecuencia natural de un
sistema resorte-masa no amortiguado es reunida por la siguiente ecuación:
F 1 k n 2 m
4.8
Donde:
Fn = la frecuencia natural
k = la constante del resorte, o rigidez
m = la masa
De eso se puede ver que si la rigidez aumenta, la frecuencia natural también
aumentará, y si la masa aumenta, la frecuencia natural disminuye. Si el sistema tiene
absorción, lo que tienen todos los sistemas físicos, su frecuencia natural es un poco
más baja y depende de la cantidad de absorción.
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Un gran número de sistemas resorte-masa-amortiguación que forman un sistema
mecánico se llaman "grados de libertad", y la energía de vibración que se pone en la
máquina, se distribuirá entre los grados de libertad en cantidades que dependerán de
sus frecuencias naturales y de la amortiguación, así como de la frecuencia de la
fuente de energía.
Por esta razón, la vibración no se va a distribuir de manera uniforme en la máquina.
Por ejemplo, en una máquina activada por un motor eléctrico una fuente mayor de
energía de vibración es el desbalanceo residual del rotor del motor. Esto resultará en
una vibración medible en los rodamientos del motor. Pero si la máquina tiene un
grado de libertad con una frecuencia natural cerca de las RPM del rotor, su nivel de
vibraciones puede ser muy alto, aunque puede estar ubicado a una gran distancia del
motor. Es importante tener este hecho en mente, cuando se hace la evaluación de la
vibración de una máquina. La ubicación del nivel de vibración máximo no puede
estar cerca de la fuente de energía de vibración. La energía de vibración
frecuentemente se mueve por largas distancias por tuberías, y puede ser destructiva,
cuando encuentra una estructura remota con una frecuencia natural cerca de la
frecuencia de su fuente. Si la frecuencia natural es excitada por un agente externo, la
amplitud de vibración de la máquina se incrementará enormemente causando
perjuicios que a corto o mediano plazo pueden llegar a ser catastróficos. Esto es lo
que se conoce con el nombre de resonancia. Cuando una resonancia es detectada, es
necesario identificar el agente externo que la está produciendo e inmediatamente
debe aislarse estructuralmente o cambiar su velocidad de operación, el efecto de
resonancia es causa del aumento abrupto de niveles de vibración en la máquina.
4.3.6 RESONANCIA
La resonancia es un estado de operación en el que una frecuencia de excitación se
encuentra cerca de una frecuencia natural de la estructura de la máquina. Una
frecuencia natural es una frecuencia a la que una estructura vibrará si uno la desvía y
después la suelta. Una estructura típica tendrá muchas frecuencias naturales. Cuando
ocurre la resonancia, los niveles de vibración que resultan pueden ser muy altos y
pueden causar daños muy rápidamente. Bajo ninguna circunstancia se debe opera
una máquina a la frecuencia de resonancia
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Para determinar si una maquina tiene resonancias prominentes se puede llevar a cabo
una o varias pruebas con el fin de encontrarlas:
La gráfica 4.11 es una curva de respuesta idealizada de resonancia mecánica. El
comportamiento de un sistema resonante, cuando se le somete a una fuerza externa,
es interesante y va un poco en contra la intuición. Depende mucho de la frecuencia
de la fuerza de excitación. Si la frecuencia forzada es más baja que la frecuencia
natural, en otras palabras a la izquierda del pico, entonces el sistema se comporta
como un resorte y el desplazamiento está proporcional a la fuerza. El resorte de la
combinación resorte-masa hace el sistema resonante y está dominante al determinar
la respuesta del sistema. En esta área, controlada por el resorte, el sistema se
comporta de acuerdo con nuestra intuición, reaccionando con un movimiento más
amplio cuando se le aplica una fuerza más grande, y el movimiento está en fase con
la fuerza.
En el área arriba de la frecuencia natural, la situación es diferente. Aquí la masa es el
elemento que controla. El sistema parece una masa a la que se le aplica una fuerza.
Eso quiere decir que la aceleración es proporcional a la fuerza aplicada y el
desplazamiento es relativamente constante con la frecuencia que cambia. El
desplazamiento está fuera de fase en esta área con la fuerza.
Cuando se empuja al sistema, este se mueve hacia el que está empujando y viceversa.
A la resonancia misma, el sistema se comporta totalmente diferente en presencia de
una fuerza aplicada. Aquí, los elementos resorte y masa se cancelan el uno al otro, y
la fuerza solamente ve la amortiguación o la fricción en el sistema. Si el sistema está
ligeramente amortiguado es como si se empuja al aire. Cuando se le empuja, se aleja
de su propia voluntad. En consecuencia, no se puede aplicar mucha fuerza al sistema
en la frecuencia de resonancia, y si uno sigue intentándola, la amplitud de la
vibración se va a incrementar hasta valores muy altos. Es la amortiguación que
controla el movimiento de un sistema resonante a su frecuencia natural.
99
Figura 4.11 Curva de la respuesta de la resonancia Fuente: Los autores
El ángulo de fase entre la vibración de la fuente de excitación y la respuesta de la
estructura siempre es de 90 grados a la frecuencia natural.
En el caso de rotores largos, como en turbinas, las frecuencias naturales se llaman
"frecuencias críticas" o "velocidades críticas" y se debe cuidar que estas máquinas no
operen a velocidades donde 1x o 2x corresponde a esas frecuencias críticas.
4.3.7 SISTEMAS LINEALES Y NO LINEALES
Cuando se analizan los espectros de vibraciones de una máquina dentro del contexto
de “linealidad” y “no-linealidad”, se tendrá un mejor entendimiento de porque los
espectros se ven de cierta manera y esta apariencia relaciona con la “salud” de la
máquina.
4.3.7.1 VIBRACIONES DE MÁQUINAS
Cuando nosotros vemos en el espectro de vibración de una máquina en el contexto de
sistemas lineales y no-lineales, podemos hacer una declaración muy general; cuando
las máquinas se deterioran y desarrollan fallas son menos lineales en modo de
respuesta. También podemos decir que al tener muchas fallas en las máquinas, estas
crean no-linealidad en su comportamiento. Por lo tanto, y también en términos muy
generales, podemos esperar que el espectro obtenido en una máquina saludable, sea
relativamente simple en comparación con el espectro de una máquina con fallas.
100
Figura 4.12, señal de entrada VS. señal de salida Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005
La Holgura, los Fracturas en la Base de la Máquina y los Tornillos de Sujeción Rotos
pueden causa de no-linealidad en las máquinas, que puede resultar en la observación
de múltiples armónicas en el espectro
4.4 SEÑALES
TIPOS DE SEÑALES
ESTACIONARIAS NO ESTACIONARIAS
DETERMINISTICAS ALEATORIO CONTINUA TRANSIENTE
Figura 4.13, Clasificación de las principales formas de señal
Fuente: Los autores
101
4.4.1 SEÑALES ESTACIONARIAS
La primera división natural de todas las señales es en las categorías estacionarias y
no estacionarias. Las señales estacionarias son constantes en sus parámetros
estadísticos sobre tiempo.
Si uno observa una señal estacionaria, durante unos momentos y después espera una
hora y vuelve a observar, esencialmente se vería igual, eso es, su nivel general seria
casi lo mismo y su distribución de amplitud y su desviación estándar serian casi lo
mismo. La maquinaria rotativa generalmente produce señales de vibración
estacionarias. Las señales estacionarias se dividen en señales deterministas y
aleatorias.
4.4.1.1 LAS SEÑALES ALEATORIAS
Son impredecibles en cuanto a su contenido de frecuencia y a su nivel de amplitud,
pero todavía tienen características estadísticas relativamente uniformes sobre tiempo.
Ejemplos de señales aleatorias son lluvia cayendo en un techo, ruido de un motor a
reacción, turbulencia en los patrones de flujo de una bomba y cavitación.
4.4.1.2 SEÑALES DETERMINISTAS
Son una clase especial de señales estacionarias y tienen un contenido de frecuencia y
de nivel relativamente constante por un largo periodo de tiempo.
Señales deterministas son generadas por maquinaria rotativa, instrumentos
musicales, y generadores de funciones eléctricas. Se pueden dividir en señales
periódicas, y casi periódicas.
Señales periódicas tienen formas de ondas con un patrón que se repite a igual
distancia en el tiempo. Señales casi periódicas tienen formas de onda con una
repetición variable en el tiempo, pero que parece ser periódica al ojo del observador.
A veces maquinaria rotativa producirá señales casi periódicas, especialmente equipo
activado por banda.
102
4.4.1.3 SEÑALES PERIÓDICAS
Siempre producen espectros con componentes a frecuencia discreta que son una serie
armónica. El término "armónico" viene de la música donde los armónicos son
múltiplos de la frecuencia fundamental
La mayoría de las señales casi periódicas son una combinación de varias series
armónicas
4.4.2 SEÑALES NO ESTACIONARIAS
Señales no estacionarias se dividen en continuas y transientes.
4.5.2.1 SEÑALES NO ESTACIONARIAS CONTINUAS
Son la vibración producida por una perforadora manual, y el sonido de fuegos
artificiales.
4.4.2.2 SEÑALES TRANSIENTES
Se definen como señales que empiezan y terminan al nivel cero y duran una cantidad
de tiempo finita. Pueden ser muy breves o bastante largos. Ejemplos de transientes
son un golpe de un martillo, el ruido de un avión que pasa, o la firma de vibración de
una máquina arrancando o terminando de funcionar.
103
4.5 ANÁLISIS DE FRECUENCIA
4.5.1 COMPARACIONES TIEMPO FRECUENCIA
Para circunvalar las limitaciones del análisis de la forma de onda, la práctica más
común es de llevar a cabo un análisis de frecuencias, también llamado análisis de
espectro de la señal de vibración. La gráfica en el dominio del tiempo se llama la
forma de onda, y la gráfica en el dominio de la frecuencia se llama el espectro.
En un horario de una estación de tren se puede representar ya sea en el dominio del
tiempo o en el dominio de la frecuencia, la representación de la frecuencia en este
caso es más breve que la representación del tiempo. Eso es una reducción de datos.
Un horario muy largo ha sido compactado en dos renglones en el dominio de
frecuencia. Es una regla general de la característica de la transformación que los
eventos que ocurren en un tiempo largo sean comprimidos a sus lugares específicos
en el dominio de frecuencia.
HORARIO DE TRENES
TIEMPO FRECUENCIA6:20
TRES VECES POR HORA COMENZANDO A LAS 6:20
6:407:007:207:408:008:208:409:009:20….……
Tabla 4.1 Es mas claro ver la orden de un secuencia que un listado
Fuente: Los autores
En la figura 4.15 se representación una señal compuesta de dos señales de diferente
frecuencia estas componentes son separadas y mostrados en el espectro, sus niveles
pueden ser fácilmente identificados. Seria difícil de extraer esta información de la
forma de onda en el dominio de tiempo.
Figura 4.14 Descomposición de las componentes de una señal
Fuente: Los autores
104
Las señales en el dominio del tiempo se traslapan y que son confusos, mientras que
en el dominio de la frecuencia están separados en sus componentes individuales. La
forma de la onda de vibración contiene una gran cantidad de información que no es
aparente. En las máquinas rotativas la información está en las componentes de nivel
muy bajo, pero son una indicación de un problema que está creciendo, como puede
ser una falla en un rodamiento. La esencia del mantenimiento predictivo es la
detección temprana de faltas incipientes. Por eso hay que ser sensible a valores muy
pequeños de señales de vibración.
Por otra parte, hay circunstancias, donde la forma de onda nos proporciona más
información que el espectro.
Figura 4.15 Los efectos individuales son identificado más fácilmente en el dominio de la frecuencia Fuente:
Los autores
En la figura 4.16 se muestra el proceso a cumplirse en el proyecto el cual consiste en
la toma de señales a través de traductores luego de acondicionar las mismas, en el
computador con el uso del software LabVIEW, realizar el análisis de los datos a
través del estudio de la señal en el dominio del tiempo y en el dominio d la
frecuencia, generando información muy valiosa. El éxito de este análisis depende de
la correcta interpretación que se le de a los espectros capturados con respecto a las
condiciones de operación en que se encuentra la máquina.
4.5.2 ANÁLISIS DE ESPECTRO
El análisis de espectros que se define como la transformación de una señal de la
representación en el dominio del tiempo hacia la representación en el dominio de la
frecuencia, Fourier estaba trabajando para Napoleón, durante la invasión de Egipto
105
en un problema de sobrecalentamiento de cañones, cuando dedujo la famosa Serie de
Fourier, para la solución de la conducción de calor. Puede parecer que hay una gran
distancia entre cañones sobrecalentados y análisis de frecuencia, pero resulta que las
mismas ecuaciones son aplicables en los dos casos. Fourier más tarde generalizó la
Serie de Fourier en la Transformada Integral de Fourier. La llegada del análisis de las
señales digitales naturalmente llevó a la llamada Transformada Discrecional de
Fourier y la Transformada Rápida de Fourier o TRF
4.5.3 LA TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER
Un algoritmo de computadora para calcular la TDF. La Transformada Discrecional
de Fourier era conocida en teoría desde hace muchos años, pero solamente con la
llegada de la computadora digital fue llevada a la práctica.
Para adaptar la TDF para uso con computadoras digitales, la llamada Transformada
Rápida de Fourier fue desarrollada. La FFT es un algoritmo para calcular la TDF de
manera rápida y eficaz. FFT es la abreviatura usual (del inglés Fast Fourier
Transform) de un eficiente algoritmo que permite calcular la transformada de
Fourier discreta (DFT) y su inversa. La FFT es de gran importancia en una amplia
variedad de aplicaciones, desde el tratamiento digital de señales y filtrado digital en
general a la resolución de ecuaciones diferenciales parciales o los algoritmos de
multiplicación rápida de grandes enteros.
Aplicaciones
Ø Tratamiento de imagen (JPEG) y audio (MP3)
Ø Reducción de ruido en señales, como el ruido blanco
Ø Análisis en frecuencia de cualquier señal discreta
Ø Análisis de materiales y estadística
Ø Síntesis, mediante la transformada inversa IFFT
4.5.4 LIMITACIONES DEL USO DE LA FFT
Al tratar señales reales se introducen dos efectos nocivos:
Ø Leakage sección 3.2.1.6
Ø Aliasis sección 3.2.1.7
106
4.6 ANÁLISIS DE ORDEN29
En lugar de expresar los espectros de vibración en unidades de frecuencia hertzio
(Hz), muchas veces es deseable usar órdenes o múltiplos de las RPM de la máquina.
En un espectro normalizado de órdenes cada uno de los armónicos de la velocidad
está en la misma ubicación en la gráfica sin tomar en cuenta la velocidad de giro.
Esto es especialmente valuable, si se quiere comparar varias mediciones en la misma
máquina, tomados en momentos diferentes, y que la velocidad ha cambiado un poco
entre los momentos de las mediciones.
Figura 4.16 (a) Señal representada en el en rpm, (b) señal representada en ordenes de velocidad Fuente: A-MAQ S.A., Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico, 2005
Ø La velocidad de rotación fundamental se puede reconocer como el orden 1x.
Ø Armónicos de la velocidad de rotación serán enteros.
Ø Una segunda flecha en una máquina activada por engranes tendrá un orden
igual a la proporción de los engranes.
Ø Frecuencias de excitación tales como proporción de engranaje y paso de
alabes en bomba se pueden reconocer fácilmente, porque su orden es igual al
número de elementos.
Ø Los tonos de rodamientos serán no enteros, muchas veces serán los
componentes principales no enteros.
Ø Las bandas laterales alrededor de los tonos de rodamiento se podrán
reconocer fácilmente porque estarán en el orden de tono ± 1, ± 2 etc.
En general las Máquinas rotativas producen vibraciones repetitivas relacionadas con
la velocidad de rotación.
29 Ver el ejemplo del Anexo 4.5
107
Estas relaciones no son siempre evidentes con la señal de análisis dinámico, sobre
todo con las variaciones en la velocidad de rotación. Una medición técnica llamada
para el análisis de orden es el secreto para resolver todos los componentes de muchas
señales de que una máquina rotativa puede generar.
Sincronización de la medición el análisis de espectro es muy versátil siempre y
cuando la máquina está funcionando en una velocidad fija. Pero es fundamental en la
en el funcionamiento de maquinarias que la velocidad de elementos rotatorios sea
variable lo que hace que sea, muy difícil el análisis, si no imposible.
Para subsanar esta condición se aplica el análisis de orden que esencialmente utiliza
Sincronización, que por lo general comienza con un tacómetro, que proporciona un
pulso o un número de impulsos por cada revolución. Esta señal indica que la
máquina ha acabado un ciclo y comienza otro. Un solo pulso de tacómetro indica
cuando la máquina rotativa ha llegado a una particular posición angular. Después de
la captura de dos pulsos de tacómetro, puede determinar la velocidad de rotación de
contar los ciclos de reloj entre los pulsos de tacómetro.
Entonces:
• La mayoría de las componentes de señal de ruido y vibración están directamente
relacionadas a la velocidad de la máquina: Desbalance, falta de alineación,
acoplamiento de engranes, defectos de rodamientos, pérdida desacoplamiento
• El análisis de orden normaliza las mediciones a la velocidad rotacional para separar
estos componentes de señal.
Podemos diagnosticas las fallas de máquina conociendo el orden:
Ø Desbalance
Ø Falta de alineación
Ø Acoplamiento flojo
Ø Ruido de válvula
Ø Defectos/Desgaste de Rodamientos
Ø Frecuencia de aspas
Ø Acoplamiento de engranes
Los eventos sucedidos por lo general se muestra en frecuencia, eventos por segundo
siendo susceptibles a variar según la velocidad, mientras que el análisis de orden
muestra el número de eventos que sucede por revolución, de manera que no importa
108
la velocidad del eje. Los datos son convertidos a un dominio angular a partir del
dominio de tiempo
Figura 4.17, el análisis de orden refiere a la posición angular Fuente: NATIONAL INSTRUMNET, Order Analysis Toolsetm for LabVIEW User Manual,
www.ni.com
109
4.7 PROCESO DE MONITOREO A LA VIBRACIÓN EN
MÁQUINAS
4.7.1 DESCIPCIÓN DEL SISTEMA
Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la cadena
de medición, son:
Ø Etapa transductora
Ø Etapa de acondicionamiento de la señal
Ø Etapa de análisis y/o medición
Ø Etapa de registro.
El transductor es el primer eslabón en la cadena de edición y debería reproducir
exactamente las características de la magnitud que se desea medir. CAPITULO III
La etapa de acondicionamiento de la señal consiste en acondicionar la señal que sale
del transductor para que pueda ser tratada en el ADC. Esto contempla en Algunos
casos, dependiendo del tipo de transductor, filtrado, integración, amplificación o
desmodulación CAPITULO III
4.7.1.1 ETAPA DE ANÁLISIS Y/O MEDICIÓN
El nivel de vibración y las componentes armónicas de la corriente son evaluados a
través normas VDI 2056, ISO 2372 y BS 4675 ANEXO 4.1 4.2 y 4.3, para lo cual la
estimación de los valores se efectúa en el entorno del software LABVIEW, en la
programación del panel frontal y en el panel del diagrama de bloques.
Figura 4.18. (a) Panel principal para opciones de uso, (b) diagrama de programación para enlazar las diferentes herramientas de análisis
Fuente: Los autores
110
Figura 4.19. Panel de la evaluación de la vibración; aceleración velocidad y desplazamiento
Fuente: Los autores
Figura 4.20. Panel para la evolución de la amplitud de la vibración y su ubicación en la frecuencia
Fuente: Los autores
111
Figura 4.21. Panel para el análisis de orden, aplicado cuando la velocidad de giro de la máquina es variable
Fuente: Los autores
Figura 4.22. Análisis espectral de la señal de corriente Fuente: Los autores
112
Figura 4.23 Análisis de la espectral de la señal de voltaje Fuente: Los autores
Figura 4.24. Panel de comparación entre señales de voltaje y corriente
Fuente: Los autores
113
Figura 4.25, panel del reporte indica el estado de la maquina Fuente: Los autores
Dentro de la programación para la estimación del estado del elemento monitoreado
se evalúa a través de promedios
El Promediado es otra de las características previstas en los analizadores/recolectores
de datos. El propósito es obtener resultados más repetible, y que también hace de
interpretación compleja de señales mucho más fácil. Existen varios tipos de
promedio:
Ø Promedio lineal.
Ø Pico sostenido.
Ø Exponencial.
Ø Sincronía tiempo promedio.
Ø Premediación
4.7.1.1.1 PROMEDIO LINEAL
Cada espectro FFT recogidos durante una medición se va añadiendo uno tras otro y,
a continuación se divide por el número de adiciones. Esto ayuda en la obtención de
114
datos repetibles y tiende a un promedio estable. Este es comúnmente usado una
como técnica de medida.
4.7.1.1.2 PICO SOSTENIDO
Con este método, el valor máximo en el análisis de cada celda es registrado en cada
toma de datos. Esta técnica se utiliza para la visualización de transitorios, es una
herramienta útil durante estudios de análisis de estrés.
4.7.1.1.3 EXPONENCIAL
En este método, el más reciente de los espectros adoptados se considera más
importante que el anterior. Esto es utilizado para observar las condiciones de cambio
que ocurren muy lentamente con respecto al tiempo de muestreo.
4.7.1.1.4 SINCRONÍA DE TIEMPO PROMEDIO
Este método utiliza una señal de sincronización de la máquina a prueba, y es
utilizado para un promedio en el dominio del tiempo. La señal de sincronización es
por lo general en forma de un pulso generado por una célula fotoeléctrica o un
electromagnético, recogida en una posición de referencia en la circunferencia del eje.
El método se utiliza generalmente cuando una máquina de rotación tiene muchos
componentes que giran a diferentes velocidades.
4.7.1.1.5 PROMEDIACIÓN (Averaging)
Es otra de las herramientas provistas en los analizadores de espectros, el propósito es
obtener resultados repetitivos.
4.7.2 PRUEBAS Y MONITOREO
Como se ha venido mencionando como parte del funcionamiento de elementos
móviles siempre estará presente la vibración, lo que caracteriza una eventualidad es
la amplitud y posición del espectro de la vibración. Por ello presentamos el nivel de
vibración como característica en cada estado de nuestro motor de pruebas:
115
4.7.2.1 MOTOR EN BUEN ESTADO, PLENA CARGA
Figura 4.26, (a) Banco de pruebas (b) eje del motor enlazado al torquimetro para aplicar carga Fuente: Los autores
En la figura 4.27, se observa que los niveles de vibración es bastante bajo, inherentes
del funcionamiento, como se menciona en la sección 4.3.2.3 la señal adquirida es la
aceleración de la vibración para con el proceso matemático de integración ir
obteniendo la velocidad y el desplazamiento de la misma. Esto con el objetivo
contrastar con normas como: la norma ISO 2372 que considera la velocidad de la
vibración para diagnosticar el estado de la máquina, otro factor considerado es la
aceleración de la vibración referido a una tabla de sugerido por la compañía AMAQ
que considera el estado de la máquina midiendo el nivel de vibración pero
correspondido a la velocidad de giro. ANEXO 4.1, ANEXO 4.2 respectivamente.
Figura 4.27, Niveles de vibración correspondientes al funcionamiento del motor. En buen estado y plena carga
Fuente: Los autores
116
Contrastando estos valores con valores de la norma ISO 2372 y al tratarse de una
maquina de CLASE I el estado de la misma es buena.
Al exponer la prueba a cada una de las ventanas, estas van tomando los datos y
guardándolas en una base de datos en EXEL, para luego realizar el reporte
analizando los datos obtenidos de vibración y del consumo de corriente para
presentarlos de la siguiente manera:
El nivel de vibración corresponde al buen estado del motor, en el análisis de orden todos son menores a -35 dB que es el mínimo valor considerado en las componentes de orden 1x, 2x, 3x y 9x
Figura 4.28, Reporte del análisis mecánico del sistema Fuente: Los Autores
4.7.2.2 PRUEBA CON RODILLOS EN MAL ESTADO
Figura 4.29, de izquierda a derecha, (a) rodillo utilizado para desalineación, (b) rodillo con la jaula
rota, (c) rodillo en buen estado, (d) rodillo desgastado, (e) rodillo sin lubricante.
117
4.7.2.2.1 PRUEBAS CON EL RODILLO (b).
Figura 4.30, Nivel de vibración cuando la jaula del rodillo esta rota Fuente: Los autores
El reporte según la norma ISO 2372 que el estado con respecto a vibración es bueno, pero existen diferentes funciones de diagnostico como el de la componentes de orden que muestran rodillo en mal estado debido a que los ordenes de 1x 3x y 9x superan los valores de -35dB, 30dB y -30dB respectivamente, también existe un desgaste de la jaula del rodillo debido a que se presento un valor del espectro de -23,1dB, a una frecuencia de 64,62Hz. La razón por la cual el diagnostico da como resultado aceptable, cuando el rodillo esta en mal estado es debido a que el acelerómetro se coloco en parte delantera del motor y no en la posterior donde estaba un rodillo bueno.
Figura 4.31 Reporte a la prueba del rodillo con la jaula rota (b) Fuente: Los autores
118
4.7.2.2.2 PRUEBAS CON EL RODILLO (d).
Figura 4.32, resultado cunado el rodillo se encuentra desgastado Fuente: Los autores
El reporte según la norma ISO 2372 que el estado con respecto a vibración es aceptable, pero el diagnostico de las componentes de orden que muestran rodillo en mal estado debido a que los ordenes de 1x 3x y 9x superan los valores de -35dB, 30dB y -30dB respectivamente, también existe un desgaste de la jaula del rodillo debido a que se presento una un valor de aceleración de la vibración a una frecuencia de 68,55 Hz a un valor superior a -23,98dB. En esta prueba el rodillo (d) es el que se instala en la posición delantera.
Figura 4.33. Reporte correspondiente a la prueba con el rodillo con desgaste (d) Fuente: Los autores
119
Diagnostico de lo prueba con el rodillo (e), la vibración que experimente el motor es debido a la falta de lubricante en el motor este particular es detectado también por el excesivo ruido o chillido. Se considera importante la lubricación en rodillos a mas de otras razones, la fricción viscosa ofrecido por el lubricante reduce considerablemente la vibración.
Figura 4.34. Diagnostico del rodillo sin lubricante (e) Fuente: Los autores
120
4.7.2.3 DESALINEACIÓN.
Figura 4.35, rodillo usado para desviar el eje del rotor, del eje geométrico Fuente: Los autores
Figura 4.36. Pruebas con eje del rotor desalineado Fuente: Los autores
Al presentarse componentes de orden 1x, 2x y 9x a un valor de -40dB, -35dB y 40dB respectivamente, el diagnostico preestablecido para estos valores es que el eje se encuentra desbalanceado, esto efecto es característico por el constante golpeteo que se siente en la carcasa del motor
Figura 4.37 Diagnostico del motor con el eje del rotor desalineado Fuente: Los autores
121
4.7.2.4 PRUEBA EN CHUMACERAS.
Figura 4.38. Banco de pruebas, prueba de chumaceras
Fuente: Los autores
4.7.2.4.1 RODILLO DE LA CHUMACERA EN BUEN ESTADO.
Figura 4.39 Fuente: Los autores
Figura 4.40. Diagnostico del estado de chumaceras, buen estado Fuente: Los autores
122
4.7.2.4.2 RODILLOS DE LA CHUMACERA EN MAL ESTADO.
Figura 4.41 Fuente: Los autores
Figura 4.42. Diagnostico de chumaceras, mal estado Fuente: Los autores
123
4.7.2.4 DESALINEAMIENTO DE POLEA.
4.7.2.5.1 PRUEBA CON LA POLEA, BUENAS CONDICIONES.
Figura 4.43 Fuente: Los autores
Figura 4.44 Fuente: Los autores
Figura 4.45. Buen estado del sistema de transmisión, poleas Fuente: Los autores
124
D1 0,06 mV1 1800 rpmlbanda 0,5 mD2 0,26 mV2 415,3846154 rpm
Fbanda 678,5840132 Hz
4.7.2.5.2 PRUEBA CON LA POLEA DESALINEADA
Figura 4.46. Desviación de la polea conductora, para conseguir desalineamiento Fuente: Los autores
Figura 4.47. Prueba con el la polea conductora desalineada Fuente: Los autores
Figura 4.48 Reporte del estado de transmisión mediante poleas, polea conductora desalineada Fuente: Los autores
125
4.7.2.6 PRUEBA CON ENLACE DE RUEDAS DENTADAS
Figura 4.49. Transmisión por ruedas dentadas Fuente: Los autores
4.7.2.6.1 PRUEBA EN BUEN ESTADO A LA VELOCIDAD DE 600RPM
Figura 4.50. Prueba realizado a la transmisión con ruedas dentadas el eje del motor gira a 600rpm
Fuente: Los autores
Figura 4.51. Diagnostico del buen estado Fuente: Los autores
126
VELOCIDADrpm 600
rad/s 62,8318531Nd 28
VELOCIDADrpm 264
rad/s 27,6460154Nd 64
4.7.2.6.2 PRUEBA CON RUEDA DENTADA EN MAL ESTADO
VELOCIDAD DE 600 RPM.
POLEA CONDUCTORA
fengrane 1759,291886 Hz
fdesalineacioón 1885 1633,63 Hz fexentricidad 1822,1 1696,46 Hz
POLEA CONDUCIDA
fengrane 1769,344983 Hz
Figura 4.52 Fuente: Los autores
fdesalineacioón 1824,6 1714,05 Hz fexentricidad 1797 1741,7 Hz
Figura 4.53 Fuente: Los autores
Figura 4.54 Fuente: Los autores
127
CAPITULO V
ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE DE
CONSUMO
El siguiente capitulo detalla el análisis espectral de la corriente más conocido como
MCSA (Motor Current Signature Analysis) por sus siglas en inglés. El Análisis
apropiado de MCSA nos ayudara a identificar:
Ø Roturas de barras del rotor
Ø Rotura de anillos del rotor
Ø Cortocircuito de las bobinas del estator
Ø Excentricidad del rotor
Ø Falla en rodamientos
5.1 ARMÓNICOS DE LA CORRIENTE.
5.1.1 LOS ARMÓNICOS.
Los armónicos son distorsiones que se encuentran dentro de una frecuencia
fundamental (f1), la frecuencia de estos armónicos (fn)es un múltiplo entero de la
frecuencia de la onda fundamental (f1), la amplitud de un armónico se expresa en
porcentaje respecto a la onda fundamental. “Los armónicos se comportan como
fuentes de intensidad en paralelo y a diferente frecuencia donde la suma de todas las
intensidades es la corriente que alimenta la carga’’.
Cualquier onda no senoidal puede ser representada como la suma de ondas
senoidales (armónicos) teniendo en cuenta que su frecuencia corresponde a un
múltiplo de la frecuencia fundamental, según la relación:
y t Y0
n
Yn 2 sin (nwt n 1
n ) (5.1)
128
Donde:
Y0 = Es la componente de corriente directa, la cual es generalmente cero en sistemas
eléctricos de distribución [1]. th
Yn Valor rms de la componente (n ) armónica. th
n Angulo de fase de la componente (n ) armónica cuando t =0
Figura 5.1 Efectos de armónico sobre la onda de frecuencia fundamental. Fuente: COLLOMBET Christian, Los armónicos en las redes perturbadas, Schneider Electric,
Cuaderno técnico Nº 152, 2000, p 6.
Los armónicos se producen por cargas no lineales, este tipo de carga demanda
corriente en pulsos abruptos, en lugar de una onda senoidal. Las características
principales que definen a un armónico son:
Amplitud que hace referencia a la intensidad del armónico.
Orden que hace referencia al valor de su frecuencia referido a la frecuencia
fundamental. Así un armónico de tercer orden tiene un valor tres veces
superior al a frecuencia fundamental
129
5.1.2 FUENTES DE ARMÓNICOS EN LA CORRIENTE DE CONSUMO DE
UN MOTOR DE INDUCCIÓN.
Las principales fuentes de armónicos en la corriente de alimentación de un motor de
inducción son:
Ø Rotura de barras.
Ø Cortocircuito en las bobinas del estator.
Ø Excentricidad del rotor.
Ø Desgaste de rodamientos.
Ø Variaciones propias de la red.
5.2. ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE (MCSA) EN
MOTORES DE INDUCCIÓN. El MCSA usa al motor como un transductor, permitiendo evaluar la condición
eléctrica y mecánica del motor. A través del análisis de la corriente del motor se
pueden detectar variaciones en la carga o en el propio motor, cada una de estas
variaciones tiene una frecuencia característica propia que queda marcada en la
corriente de alimentación del motor.
Para dar un diagnostico exacto, el sistema MCSA utiliza la transformada rápida de
Fourier FFT al igual que en el análisis de vibración. Los motores monofásicos y
trifásicos pueden ser analizados combinando la desmodulación de corriente y voltaje.
Una de las reglas principales en del sistema MCSA, “es que si los picos que se
muestran en la señal de corriente, también muestran en la señal de voltaje, la
falla es de naturaleza eléctrica y si los picos que se muestran en la señal de
corriente, no se muestran en la señal de voltaje, la falla es de naturaleza
mecánica’’30.
5.2.1 PASOS BÁSICOS PARA EL ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA
CORRIENTE (MCSA).
Los pasos para el análisis MCSA son los siguientes:
1. Exponga una apreciación global del sistema a ser analizado.
30Howard W Penrose, Ph.D, APPLICATIONS FOR MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS, General Manager, ALL-TEST Pro A Division of BJM Corp, 2004, p 2.
130
2. Determinar si este sistema nos servirá para resolver nuestro problema, debido
al mal funcionamiento de la maquina.
3. Toma de datos.
4. Revisión y análisis de datos.
4.1. Tomar la señal de corriente durante 10 segundos, para analizar la
maquina durante ese periodo de tiempo.
4.2. Revisión a baja frecuencia de la desmodulación de la corriente, para ver
la
condición del rotor e identificar problemas relacionados con la carga.
4.3. Revisión a alta frecuencia de la desmodulación de la corriente y voltaje
para determinar fallas eléctricas o mecánicas.
5.2.3. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR PARA REALIZAR EL ANÁLISIS
UTILIZANDO LA TÉCNICA MCSA.
Para que el análisis por MCSA sea aplicable el motor debe cumplir las siguientes
características
Ø El motor de inducción monofásico o trifásico debe tener el rotor tipo jaula de
ardilla.
Ø El motor no bebe tener ningún tipo de control de velocidad, debe operar a
velocidad constante.
Ø El motor debe operar a carga constante.
Ø El motor debe operar por lo menos con el 75% de la carga nominal.
Ø Se debe tener acceso a la línea de alimentación del motor aun cuando este se
encuentre ubicado en una zona inaccesible.
Ø La técnica de MCSA puede ser aplicable a motores de cualquier potencia
siempre que se elija el sensor de corriente de acuerdo a los niveles de
corriente del motor.
5.2.4 DETECCIÓN DE FALLA USANDO MCSA.
Para dar un diagnóstico de un motor de inducción analizando el espectro de la
corriente se debe verificar la presencia de bandas laterales alrededor da la frecuencia
fundamental, en nuestro caso esta frecuencia es la de la línea de alimentación del
131
motor 60(Hz). Las bandas laterales pueden existir debido al desbalance de las
impedancias de los devanados, sin que esto sea un indicativo de una falla.
Para establecer cuando realmente existe una falla y dar un diagnóstico correcto el
MCSA se basa en el criterio de la diferencia de amplitudes que hay entre el pico de
la frecuencia fundamental y el pico de la frecuencia de banda lateral. En MCSA
contamos con una Tabla 5.1 que relaciona la diferencia de amplitudes entre
frecuencia fundamenta y bandas laterales con el estado del motor.
Tabla 5.1. Criterio de diagnostico de daños en las barras del rotor. Fuente: EQUIPMENTHEALTH “Motor Current Signature Analysis”,
http://equipmenthealth.com/mcsa.htm
5.3 ANÁLISIS FUNDAMENTAL, DETECCIÓN DE FALLAS.
5.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE PARA EL ANÁLISIS
ESPECTRAL DE CORRIENTES.
El software para el análisis espectral de la corriente esta desarrollado en el entorno
LABIEW, este se basa en programación grafica conocida como lenguaje G. La
versión que utilizaremos para el desarrollo del proyecto es LABVIEW 8.5. Este
posee herramientas específicas para la adquisición de datos y análisis de señales.
5.3.1.1 DETECCIÓN DE LA FALLA.
El reporte del análisis espectral de la corriente es generado por la siguiente línea de
programación implementada en LABVIEW según se trato en la sección 5.2.4.
132
Figura.5.2. Criterio para reporte de diagnostico del motor. Fuente: Los autores.
5.3.1.2 ALMACENAMIENTO DE DATOS EN EXCEL.
LABVIEW permite el almacenamiento de datos adquiridos en una hoja de cálculo,
en nuestro caso con la extensión .xls para crear una hoja de cálculo en Excel. La
programación grafica para la implementación del almacenamiento de datos se
muestra en la Fig. 5.3.
Figura. 5.3. Diagrama de bloques del almacenamiento de datos en Excel. Fuente: Los autores
133
5.3.1.3 MENÚ DE INICIO.
Esta ventana muestra el menú donde tenemos opciones para el diagnostico del
motor, esta ventana consta de 8 botones, 6 para el análisis de la maquina, un botón de
instrucciones y un botón para la generación de reportes.
Figura. 5.4 Ventana menú de inicio
Fuente: Los autores.
5.3.1.4 ANÁLISIS DE CORRIENTE.
Esta ventana muestra la señal de corriente, tiene dos indicadores gráficos uno para
mostrar la señal en el dominio del tiempo y otra para mostrar la señal en el dominio
de frecuencia, además tiene una tabla de datos para registrar los datos de la
frecuencia fundamental y la frecuencia de bandas laterales, también existe una tabla
para registrar los picos de la corriente en un rango de 0-500 Hz.
Por otra parte, también cuenta con selectores de número de muestras, rango de
frecuencias e indicadores analógicos de corriente rms y velocidad rpm.
El objetivo de esta ventana es facilitar la ubicación de bandas laterales de manera
rápida y exacta.
134
Figura. 5.5. Ventana de análisis de corriente
Fuente: Los autores.
5.3.1.5 ANÁLISIS DE VOLTAJE.
Esta ventana muestra la señal de voltaje, tiene dos indicadores gráficos uno para
mostrar la señal en el dominio del tiempo y otra para mostrar la señal en el dominio
de frecuencia, además tiene una tabla de datos para registrar los datos de la
frecuencia fundamental y la frecuencia de bandas laterales, también tiene una tabla
para registrar los picos de la corriente en un rango de 0-500 Hz.
Por otra parte, también cuenta con selectores de número de muestras, rango de
frecuencias e indicadores analógicos de corriente rms y velocidad rpm.
Figura. 5.6. Ventana de análisis de voltaje.
Fuente: Los autores.
135
5.3.1.6 ANÁLISIS DE CORRIENTE VOLTAJE.
Esta ventana cuenta con indicadores gráficos, uno que muestra la corriente y el
voltaje simultáneamente y el otro indicador grafico que muestra la señal de vibración
a más de contar con selectores de promedio de parámetros, rangos de frecuencia,
búsqueda de picos y numero de muestras. También tiene un selector que nos permite
visualizar las tres corrientes, los tres voltajes o la combinación voltaje-corriente.
El objetivo de esta venta es analizar la corriente y voltaje simultáneamente para
determinar si la falla es mecánica o eléctrica.
Figura. 5.7. Ventana de análisis de Corriente –Voltaje
Fuente: Los autores.
5.3.1.7 REPORTE.
Esta ventana nos muestra los datos obtenidos en el análisis de vibración, análisis de
orden, análisis de corriente y estima una sugerencia de lo que debe realizase con el
motor analizado.
Cabe recalcar que para la generación del reporte se deben realizar todos los análisis
anteriormente descritos, para que todos los datos del estado de la máquina sean
registrados en una base de datos en Excel y el software los analice correctamente
Fig.5.8.
136
Figura. 5.8 Ventana de reportes, reporte de barras rotas
Fuente: Los autores.
5.4 PRUEBAS.
En esta sección detallaremos las pruebas realizadas, las cuales tiene por objetivo
verificar las predicciones establecidas por la teoría y evaluar la capacidad del
programa de diagnostico para identificar las frecuencias relacionadas con las fallas
en el motor. Para la ejecución de las pruebas se utilizaran dos rotores uno en buen
estado y otro al que se le romperán las barras para poder simular la falla.
Las pruebas se realizaran únicamente para diagnosticar barras rotas. Para dar un
diagnostico preciso del estado de la maquina debemos tomar en cuanta lo siguiente:
Mostrar las señales de corriente y voltaje en el dominio del tiempo y
frecuencia, los datos en el dominio de la frecuencia pueden ser apreciados en
escala logarítmica o lineal.
Mostrar los espectros de frecuencia en un rango de (50-70 Hz) para que los
resultados obtenidos sean más apreciables.
El programa debe mostrar los picos de corriente de bandas laterales, en las
frecuencias determinadas por la ecuación 2.12 frecuencia de falla de barras
rotas.
El programa debe entregar los mismos resultados independientemente del
número de pruebas que se realicen.
Revisar los datos obtenidos con la tabla 5.1
137
5.4.1 BANCO DE PRUEBAS.
Para la elaboración de las pruebas se construyo un banco de pruebas que se muestra
en la Fig. 5.9 (a). Las pruebas fueron hechas al 75% de la carga nominal del motor.
Figura. 5.9. Banco de pruebas. Fuente: Los autores.
Figura. 5.9. Modulo de medición de corriente Fuente: Los autores.
Características del motor usado en
las pruebas Marca WEG
Alimentación TrifásicoVoltaje nominal 220 V.
Rotor Jaula de ardillaFrecuencia 60 Hz.
Corriente nominal 3APotencia 1 HP.
Numero de polos 4Velocidad nominal 1800 rpm.
Tabla 5.2 Características del motor
Fuente: Los autores.
138
5.4.2. PRUEBA CON BARRAS DEL ROTOR EN BUEN ESTADO.
Para la ejecución de esta prueba se ha ubicado al motor y el torquímetro tal como se muestra en el esquema de la Fig. 5.11.
Figura. 5.10. Esquema de acoplamiento Motor-Torquímetro (carga). Fuente: Los autores.
Los resultados del análisis son los siguientes:
Figura. 5.12 Señal adquirida de corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia. Fuente: Los autores.
139
Figura. 5.13 Señal adquirida de voltaje en el dominio del tiempo y la frecuencia. Fuente: Los autores.
De las graficas plasmadas en el dominio de la frecuencia en la figura 5.11 se puede
concluir que no existen fallas por barras rotas ya que no existen frecuencias de
bandas laterales de acuerdo a la ecuación 2.12.
En el caso de existir fallas estas deberían presentarse en las frecuencias calculadas a
continuación:
f b f1 1
f1 60Hz.
2.s
s vs vr
vs
s 1800 1728
0.04
1800
f b1
60 1
2 0.04
f b1 55.2Hz.
f b 2 60 1 2 0.04
f b 2 64.8Hz.
Al observar las graficas de corriente y voltaje en el dominio de la frecuencia la
conclusión es que no existen fallas eléctricas ya que las graficas de los espectros no
son iguales, Fig. 5.14.
140
Figura. 5.14 Señal espectral corriente-voltaje Fuente: Los autores.
5.4.3 PRUEBA CON BARRAS DEL ROTOR ROTAS.
De la misma forma el motor y el torquímetro fueron dispuestos como indica la Fig.
5.11. Esto se hizo con el objetivo de observar y comprobar específicamente el efecto
que producen las barras rotas en el rotor.
Para la prueba de barras rotas hemos procedido a realizar tres orificios de 4 mm en el
rotor para romper las barras en el punto de contacto con el anillo en cortocircuito
tal como observamos en la Fig. 5.15.
Figura. 5.15. Perforación de barras en el rotor Fuente: Los autores.
141
Las graficas obtenidos muestran la presencia de barras rotas.
Figura. 5.16 Señal adquirida de la corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: Los autores.
Figura. 5.17 Señal adquirida de la corriente en el dominio del tiempo y la frecuencia Fuente: Los autores.
En la grafica que muestra la señal de la corriente se pueden observar bandas laterales,
ubicadas en 55.08 Hz y 64.31 Hz. Las frecuencias de las bandas laterales son
calculadas de acuerdo a la ecuación 5.21.estas frecuencias son:
f b f1 1
f1 60Hz.
2.s
142
s vs vr
vs
s 1800 1728
0.04
1800
f b1
60 1
2 0.04
f b1 55.2Hz.
f b 2 60 1 2 0.04
f b 2 64.8Hz.
Las frecuencias de bandas laterales calculadas coinciden con las obtenidas en la
grafica de la señal de la corriente
También se puede decir que no existen fallas eléctricas ya que los picos de la señal
de corrigen no son iguales a los picos de la señal de voltaje. Esto implica que la falla
es de naturaleza mecánica en este caso se trata de barras rotas en el rotor del motor.
La amplitud de las bandas laterales y la frecuencia fundamental se muestra en la
Fig.5.18.
La diferencia de amplitudes entre la banda lateral f b1 55.08Hz. , -17.27 dB y la frecuencia fundamental f1 60Hz. , 9.55 dB es de:
f1 f b1 (dB) 9.55dB ( 17.27dB)
f1 f b1 dB 26.82dB Basándonos en la Tabla 5.1. El diagnostico debe ser “varias barras rotas daño severo’’
143
Figura. 5.19. Reporte de barras rotas. Fuente: Los autores.
