Estudio Experimental de Fallas en Engranajes

7/25/2019 Estudio Experimental de Fallas en Engranajes

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Ingeniera y Desarrollo

ISSN: 0122-3461

[email protected]

Universidad del Norte

Colombia

Herrera Delgado., Anderson; Jaimes Snchez, Ivn; Quiroga Mndez, Jabid

Estudio experimental de fallas en engranajes rectos por desalineacin, excentricidad y

diente roto

Ingeniera y Desarrollo, vol. 34, nm. 1, enero-junio, 2016, pp. 1-23

Universidad del Norte

Barranquilla, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=85244549001

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* Ingeniero Mecnico, Universidad Industrial de Santander, Bucara-manga (Colombia) [email protected]

** Ingeniero Mecnico, Universidad Industrial de Santander, Bucara-manga (Colombia) [email protected]

*** M. Sc. en Ingeniera Mecnica, Florida State University. Profesorasociado Escuela de Ingeniera Mecnica Universidad Industrial de San-tander, Bucaramanga (Colombia)[email protected]

Correspondencia: Universidad Industrial de Santander. Escuela deIngeniera Mecnica, Ciudad Universitaria, cra. 27 calle 9, 6325272, Buca-ramanga, Santander.

Anderson Herrera Delgado*Ivn Jaimes Snchez**

Jabid Quiroga Mndez***Universidad Industrial de Santander (Colombia)

ARTCULO DE INVESTIGACIN / RESEARCH ARTICLEhttp://dx.doi.org/10.14482/inde.33.2.6368

Estudio experimental de fallas enengranajes rectos por desalineacin,

excentricidad y diente roto

Experimental study on failures inspur gears caused by misalignment,

eccentricity and broken teeth

Volumen 34, n.o1Enero-junio, 2016ISSN:0122-3461 (impreso)

2145-9371 (on line)


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Anderson Herrera Delgado, Ivn Jaimes Snchez,Jabid Quiroga Mndez

2 Ingeniera y Desarrollo. Universidad del Norte. Vol. 34 n. 1: 1-23, 2016ISSN: 0122-3461 (impreso)

2145-9371 (on line)

Fechaderecepcin:05d

emayode2014

Fechadeaceptacin:24

denoviembrede2015

Resumen

En este artculo se presenta un estudio realizado para el monitoreo de

engranajes rectos sometidos a fallas en diente roto (incipiente, intermediay severa), desalineacin angular y excentricidad; en cada uno de los esce-narios de falla estudiados se obtienen los ndices estadsticos de condicinRMS, Factor de Cresta y Curtosis en el dominio del tiempo y el espectroen el dominio de la frecuencia. Las pruebas se llevan a cabo en un bancodiseado y construido especcamente para la reproduccin de las ante-riores fallas. Los resultados obtenidos en el dominio del tiempo muestranque el valor RMS y el Factor de Cresta, en todos los casos estudiados,presentaron un comportamiento consistente con la evolucin de la falla,mientras que el valor de Curtosis solo permiti de manera consistente ladeteccin de la falla por excentricidad.

Palabras clave: fallas engranajes rectos, RMS, Factor de Cresta, Cur-tosis, espectro.

Abstract

In this paper is presented a study developed to monitor spur gears exposedto different kinds of failures such as broken teeth (incipient, intermediateand severe), angular misalignment and eccentricity. For every study casesRMS, crest factor and Kurtosis in the time domain are obtained and thespectrum in the frequency domain. The tests were developed in a test beddesigned and built specically to emulate fault conditions. The resultsobtained in the time domain shows up that the RMS value and the CrestFactor reveal a consistent behavior with the fault severity. Additionally,experimental results shown that the Kurtosis value barely identiedconsistently the failure caused by eccentricity.

Keywords:Spur Gears Failures, RMS, Crest Factor, Kurtosis, Spectrum.


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ESTUDIO EXPERIMENTAL DE FALLAS EN ENGRANAJES RECTOSPOR DESALINEACIN, EXCENTRICIDAD Y DIENTE ROTO

3Ingeniera y Desarrollo. Universidad del Norte. Vol. 34 n. 1: 1-23, 2016ISSN: 0122-3461 (impreso)2145-9371 (on line)

INTRODUCCIN

La deteccin de fallas de manera oportuna y eciente constituye uno de

los retos ms importantes asociados al mantenimiento predictivo. Fallasimprevistas pueden afectar la integridad y la conabilidad de los equipos

a travs de paradas no programadas, reduccin de su vida til, altos costosde asociados al mantenimiento correctivo y baja calidad de los productos.

En la literatura se encuentran varios estudios que abordan problemas enlas transmisiones de potencia a base de engranajes. En [1] se mencionala dicultad para el diagnstico de fallas en transmisiones de engranajes

debido a la gran diversidad de fallas que se pueden presentar en estetipo de sistemas, como fallos en la instalacin que derivan problemas dedesalineacin o excentricidad, desgaste y rotura de dientes del engranaje.

En sus etapas iniciales las fallas producen una sintomatologa que dicul-ta la deteccin de la condicin anormal. Los rasgos de falla evolucionanlentamente y se maniestan con gran magnitud cuando la falla est cerca

de tornarse catastrca [2].

En [3] se realiza una revisin en la literatura de los ndices de monitoreode condicin para una transmisin de engranajes, describiendo el progresoy los cambios en los ltimos 30 aos, las tcnicas de anlisis de vibracin,los indicadores y los parmetros utilizados en el monitoreo, se disponen enuna perspectiva histrica, organizando y reagrupando estas tcnicas paraque puedan ser reconocidas con facilidad.

En [4] se muestran las dicultades asociadas al uso de parmetros en el

dominio del tiempo, en el establecimiento de la condicin de transmisionesde engranajes. En [5] se monitorea una transmisin helicoidal con picadurasen sus dientes a travs de los indicadores RMS, pico a pico y Curtosis. Enesta investigacin se concluye que la presencia de picaduras no puede serrevelada claramente, a menos que la gravedad del fallo sea signicativa.

En [6] se monitorea el desgaste en las supercies de los dientes de una

transmisin de engranajes rectos a travs de los valores de Curtosis. Resul-

tados experimentales muestran que no existe una relacin precisa entre laevolucin del valor de Curtosis y la condicin de falla. En [7] se estudia elFactor de Cresta en la evolucin del desgaste de engranajes helicoidales. La


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del tiempo darn como resultado un incremento en el FC. Este factor esusado para detectar cambios en el patrn de la seal debido a fuentes devibracin impulsivas como un diente roto en un engranaje [9], [11].

FC =PV

(3)RMS

Donde PVes el valor pico de la seal.

Curtosis

Est denido como el cuarto momento estadstico (4) y su incremento indicaque la distribucin de la vibracin ya no es una distribucin gaussiana. Estose debe principalmente a los impulsos (picos aislados con alta amplitud)generados por los engranajes afectados.

Curtosis =2 2i=1

N1

N (xn-x) )][(

4i=1N1

N (xn-x)(4)

Donde Nes el nmero de muestras tomadas en la seal, xies el valor de laseal para lai-esima muestra y xes el valor medio de las Nmuestras.

METODOLOGA DE LAS PRUEBAS

Para el estudio de las fallas en engranajes rectos, se implementa un bancode pruebas, ver Figura 1, el cual cuenta con un motor DC de 2 Hp, 850rpm, un acelermetro de referencia PCB352C33 ubicado en direccin radial

(vertical) y otro de referencia B&K 4513 ubicado en direccin tangencial(horizontal), ver Figura 2, una tarjeta de adquisicin de datos NI 9234 y uncomputador para el anlisis de los datos.


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Figura 1. Banco de prueba utilizado.

Figura 2. Mediciones (a) eje 1 y (b) eje 2.

La seal de vibracin que proviene de los acelermetros piezoelctricos, escapturada a travs de la tarjeta de adquisicin de datos a una frecuencia demuestreo de 12.5 KHz utilizando un ventaneo tipo Hanning, posteriormentelos datos son procesados en LabVIEW para ser analizados, ver Figura 3.


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BANCO FALLAENGRANAJES

ACELERMETROSPIEZOELCTRICOS

ADQUISICINDE DATOS

APLICACINEN LABVIEW

ANLISISDE DATOS

COMPUTADOR

Figura 3. Esquema de captura y procesamiento de seal.

Para llevar a cabo el estudio de severidad de la falla de diente roto se plan-tearon tres escenarios de falla, incipiente, intermedia y severa, con 25%, 50%y 100% de prdida del diente, respectivamente, ver Figura 4. En cuantoal desalineamiento se induce un escenario con una desalineacin angularaproximadamente de 1.59, que es producido desplazando los soportes deleje de salida y dejando jos los del eje de entrada. Por ltimo, se emula un

escenario de falla que corresponde al de engranaje excntrico, el cual esrealizado utilizando un buje con una excentricidad de 1.8 mm que se ajusta

sobre un engranaje en buen estado.

Figura 4. Niveles de severidad diente roto.


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Para cada escenario de falla se realizan 5 pruebas y se registran los datoscorrespondientes a cada situacin de estudio, obteniendo as una tenden-cia de los ndices estadsticos de condicin y un espectro en el dominio

de la frecuencia. Las pruebas desarrolladas con los engranajes en buenestado son utilizadas como referencia para cada uno de los escenarios defalla planteados. Las pruebas efectuadas en todas las condiciones de fallay en condicin normal se realizan sin carga; por lo tanto, se espera quelos indicadores de falla presenten valores bajos en las primeras etapas deldesarrollo de la falla.

RESULTADOS

Anlisis en el Dominio del Tiempo

Para evaluar el comportamiento de los indicadores de falla propuestos, RMS,Factor de Cresta y Curtosis, en cada eje para el escenario de engranaje condiente roto se realiza un diseo experimental factorial buscando una rela-cin signicativa entre la severidad de la falla y la direccin de medicin.

Los resultados experimentales son evaluados estadsticamente a travs

de un anlisis de varianza ANOVA. Luego de desarrollar la matriz ANOVAcon los datos de cada una de las fallas, se realiza un anlisis DUNCANparacada factor (RMS, Factor de Cresta y Curtosis), el cual permite identicarqu nivel de severidad presenta mejor desempeo frente a las direccionesde medicin radial y tangencial en cada condicin de falla. Por motivos deespacio no se muestran los resultados especcos de cada matriz ANOVAyde cada anlisis Duncan. Sin embargo, a lo largo del anlisis de cada condi-cin de falla se menciona el resultado que arrojaron los anlisis estadsticos.

Resultados RMS en Diente Roto

Las pruebas mostraron que el valor RMSfue incrementando con la severidadde la falla. El anlisis Duncan mostr que en el eje 1 la condicin severa es laque presenta un mejor comportamiento estadstico y que la mejor direccinde medida corresponde a la direccin radial, ver Figuras 5 y 6. Sin embargo,este indicador presenta una sensibilidad baja para detectar cambios en elvolumen del diente hasta un 50%. La prdida total del diente registr un

cambio signicativo en el valor de este indicador con un incremento del125% en la energa de vibracin,


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el RMS, el Factor de Cresta, aunque mejora levemente, ofrece dicultadespara la identicacin de prdidas de volumen de diente en sus primeras

fases, por el poco cambio en su magnitud.

Figura 7. Mediciones falla de diente roto en direccintangencial eje1 FC.

Figura 8. Promedio de las mediciones falla de diente rototangencial eje1 FC.


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Resultados Curtosis en Diente Roto

Basado en los resultados de la matriz ANOVAy del anlisis Duncan para el

indicador Curtosis, se obtiene que la mejor medicin y la ms signicativaes en la direccin tangencial, en el eje 1 y en un nivel de severidad grave,ya que ste present un incremento del 88% en su valor, ver Figuras 9 y 10.Sin embargo, las uctuaciones que se presentan no lo hacen un factor esta-dsticamente conable para la deteccin especca de este tipo de fallas. El

valor de Curtosis present un decremento en su magnitud con el aumentode la severidad del 25% al 50% de prdida del diente.

Figura 9. Mediciones falla de diente roto tangencial eje1Curtosis.


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Figura 10. Promedio de las mediciones falla de diente rototangencial eje1 Curtosis.

Falla de Desalineacin

Se analiza de forma comparativa la mejor direccin de medicin y los valoresde cada factor, frente a los valores calculados para los engranajes en buenestado; con el n de vericar su desempeo para identicar anomalas.

Resultados RMS, FC Desalineacin

Resultados experimentales muestran que el RMSpresenta un incrementocon respecto a la medida en condicin normal de alrededor del 73% en eleje 1 y del 28% en el eje 2 en la direccin radial, ver Figura 11. En cuanto alFactor de Cresta se observa un aumento del 13% en el eje 1 y 36% en el eje 2en la direccin tangencial con respecto a la condicin normal, ver Figura 12.Los anteriores resultados permiten candidatizar a ambos indicadores paramonitoreo de desalineacin en transmisiones de engranajes. Sin embargo,el factor RMSpresenta ms sensibilidad a este tipo de falla.


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Figura 11. Promedio de las mediciones falla desalineacinRMS en direccin radial.

Figura 12. Promedio mediciones falla desalineacin FC endireccin tangencial

Resultados Curtosis Desalineacin

Las pruebas no revelaron un incremento del valor del ndice estadstico enninguna direccin cuando la transmisin fue sometida a este tipo de falla,


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ver Figura 13. Por el contrario, este indicador se reduce en magnitud enpresencia de desalineamiento.

Figura 13. Promedio de las mediciones falla dedesalineacin Curtosis.

Falla de Excentricidad

Se analiza de forma comparativa la mejor direccin de medicin y losvalores de cada factor, frente a los calculados para los engranajes en buenestado; aprecindose mayores incrementos en direccin radial para losfactores RMSy Factor de Cresta, a diferencia de Curtosis que aumenta endireccin tangencial.

Resultados RMS, FC, Curtosis

En las mediciones tomadas se aprecia el incremento del valor de cada factor,para el ndice RMSse observa un aumento del 169% en el eje 1 y del 100%en el eje 2, para el FC el aumento es del 118% en el eje 1 y 130% en el eje 2,(ver Figuras 14 y 15), mientras que para Curtosis el aumento es del 52% enel eje 1 y 16% en el eje 2, ver Figura 16.


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Figura 14. Promedio de las mediciones falla deexcentricidad RMS radial.

Figura 15. Promedio de las mediciones falla deexcentricidad FC radial.


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Figura 16. Promedio de las mediciones falla deexcentricidad Curtosis tangencial.

Bajo las condiciones en que se realizan las pruebas, se puede establecer alos tres parmetros estadsticos, como indicadores que permiten tener un

indicio de la presencia de la falla de excentricidad.

Anlisis en el Dominio de la Frecuencia

Los espectros obtenidos del anlisis de las vibraciones en cada escenariode falla investigado son presentados en aceleracin y velocidad. La pre-sencia de cada una de las fallas estudiadas se revela en ciertos valores defrecuencia en el espectro. Las frecuencias propias de cada falla dependen de

la velocidad de operacin, del nmero de dientes del pin, ver Tabla 1, yse conoce como frecuencia de paso de dientes, GMFGear Mesh Frecuency,su valor est dado por las expresiones (5) y (6).

GMFpion

= Zpion

* RPMpion

(5)

GMFrueda

= Zrueda

* RPMrueda

(6)


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Tabla 1. Caractersticas de operacin de los engranajes

Nombre Valor Nombre Valor

Zpin

23 Zrueda

31

RPMpin

850 RPMrueda

630.5

Frecpin

[Hz] 14.1 Frecrueda

[Hz] 10.5

GMFpin

326 GMFrueda

326

Bajo las condiciones en las que se realizaron las pruebas, la direccin demedicin en la que se detect mayor energa de vibracin fue la direccinradial. En la Figura 17 se observan los espectros para los engranajes en buen

estado y las diferentes frecuencias de inters, aparece la frecuencia de pasode dientes GMFa 326 Hz, junto con las bandas laterales y los armnicosa 2xGMFy 3xGMF, En la Figura 18 se detecta la presencia de armnicos a1xRPM del pin y 1xRPM del engranaje.

Figura 17. Espectro de condicin normal seal de aceleracin.


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Figura 18. Espectro de condicin normal seal de velocidad.

Para el escenario de engranajes con Diente Roto, el nivel de severidadgrave es mostrado en la Figura 19, en donde se observa la frecuencia depaso de dientes GMFy los armnicos a 2xGMFy 3xGMF, tambin aparecela frecuencia de resonancia del engranaje con un valor cercano a 100 Hz ypequeas bandas laterales alrededor de esta, ver Figura 20.

Figura 19. Espectro diente roto 100 % aceleracin.


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Figura 20. Espectro diente roto 100 % velocidad.

La Figura 21, muestra los espectros de aceleracin para los engranajesdesalineados, en donde se observa un aumento del 90% en la amplitud delGMFrespecto a las pruebas realizadas para los engranajes en buen estado;en la Figura 22, se hace imperceptible el armnico en 3xGMFdebido a laalta amplitud con la que se muestran los armnicos de la velocidad de giro

de cada eje en 1x, 2x y 3x RPM.

Figura 21. Espectros engranaje desalineado aceleracin.


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Figura 22. Espectros engranaje desalineado velocidad.

Para el escenario de falla del engranaje excntrico, existe una prdida detransmisin del movimiento, por lo que la velocidad de operacin se re-duce a 800 rpm en el eje de entrada. En la Figura 23 se aprecia un aumentode 40% en la amplitud del GMF, respecto a las pruebas realizadas para los

engranajes en buen estado.

Figura 23. Espectros engranaje excntrico en aceleracin.


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En la Figura 24, se hace imperceptible el armnico en 3xGMFe incluso elarmnico en 2xGMFdebido a la alta amplitud del 1xRpm del engranaje desalida, lo que indica un aumento en la energa de la vibracin cuando se

trabaja con este tipo de falla.

Figura 24. Espectros engranaje excntrico en velocidad.

CONCLUSIONES

En este artculo se present un estudio experimental de problemas en en-granajes rectos causados por desalineacin, excentricidad y Diente Roto.Los resultados de los parmetros estadsticos en el dominio del tiempo ybajo las condiciones en las que se realizaron las pruebas para el engranajeson: en el escenario de diente roto, el estadstico RMS, permiti reconocerla presencia de anomalas en el equipo con mejores resultados en direccinradial. El Factor de Cresta y Curtosis, estadsticamente no fueron signi-

cativos para detectar la presencia de esta falla, a pesar de que su valor seincrement para algunos casos como el nivel de falla severo. En el caso delFactor de Cresta, la falla severa del diente produce un cambio signicativo

en la amplitud de la vibracin, la cual se maniesta en el incremento del

indicador. La baja sensibilidad de la Curtosis y el RMSal avance de la fallade Diente Roto se puede atribuir a que estos indicadores se determinanconsiderando la seal de vibracin del recorrido del engranaje, una porcinde esta con falla y el resto en condicin normal, atenuando la ganancia del

indicador por la presencia de la falla. En la falla emulada de engranajeexcntrico, los tres estadsticos fueron indicadores representativos de estafalla. En cuanto al engranaje desalineado, el indicador RMS, mostr un


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incremento en la energa de vibracin, siendo el indicador ms sensibley por lo tanto ms representativo para detectar este tipo de falla, con losmejores resultados en direccin radial. La capacidad de deteccin del RMS

en este tipo de falla, se puede considerar como el resultado de la variacincclica (180) del contacto de los dientes, pasando de una gran presin sobreestos, en una porcin de la rotacin, a una menor en el resto. El Factor deCresta no permiti establecer un indicio de la falla de desalineacin, yaque su incremento no fue consistente frente a los valores de los engranajesen buen estado. El valor de Curtosis no present cambios que reejan la

presencia de esta falla.

En el Dominio de la Frecuencia, los espectros presentaron cambios satisfac-torios en relacin con el aumento de magnitud frente al nivel de severidaden cada una de las fallas estudiadas. En general, todos los escenarios defalla estudiados en el Dominio de la Frecuencia, arrojaron resultados quecoinciden con la informacin encontrada en la literatura, teniendo mejoresresultados el espectro de aceleracin en direccin radial.

Basado en los resultados de este trabajo es posible proponer un sistema de

monitoreo de transmisiones por engranajes que realice la deteccin de laanomala usando los indicadores estadsticos estudiados, RMS, Curtosis yFactor de Cresta. Una vez se identique la condicin anormal, es posible

diagnosticar el tipo de falla especco usando el espectro de la seal de

aceleracin. Este esquema permitir la implementacin de un sistema demonitoreo de bajo costo computacional en la etapa de identicacin de la

condicin anormal y uno ms sosticado o elaborado para el diagnstico

del tipo de falla. Adicionalmente, es posible usar solo los indicadores es-

tadsticos como umbrales de la condicin normal y una vez se superen losvalores preestablecidos se procede a la intervencin del sistema a travsde un mantenimiento correctivo.

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