METODOLOGÍA PARA LA MEDIDA Y ANÁLISIS ... - unileon.es

EscueladeIngenieríasIndustrialeInformáticaDepartamentodeIngenieríaMecánica,Informática

yAeroespacial

UNIVERSIDADDELEÓN2015

TESISDO

CTORA

L METODOLOGÍA PARA LA MEDIDA Y ANÁLISISVIBRACIONAL IN SITU DE COMPRESORESFRIGORÍFICOS SEMIHERMÉTICOS ALTERNATIVOS,MEDIANTE EL EMPLEO DE ALGORITMOS DECLASIFICACIÓNAUTOMÁTICADoctorando:GabrielBúrdaloSalcedoDirectores:Dr.D.EduardoGarcíaOrtizDr.D.JesúsRamiroCepedaRiaño

AGRADECIMIENTOS

Cuando uno culmina un trabajo al que se ha dedicado, casi de formaobsesiva,durantemásde5años,sienteunamezcladevacío,euforiayfelicidad.Laelaboracióndeestatesisdoctoraldifícilmentehubierallegadoabuenpuertosinelapoyorecibido,durantetodoestetiempo,pormuchaspersonasalasqueaquídeseoexpresamentedarlasgracias.

En primer lugar, quiero expresar un profundo agradecimiento a misdirectores (ymaestros)EduardoGarcíay JesúsCepeda.Ellosmehanenseñadotodo lo que sé sobre elmundode la “acústica y vibraciones” y, junto al sabercientífico, he de agradecer especialmente su calidad como personas. AlLaboratorio de Acústica Aplicada, liderado pormis directores, por poner amienteradisposiciónel equipode trabajonecesariopara la realizaciónde la faseexperimental. A mis compañeros del laboratorio, Mercedes y Miguel, por sucomprensióndurantemisausenciasenesteúltimoestirón.

Del “GrupoElÁrbolSupermercados”deLeónmenciónespecial yaquemeabrieroncompletamentelaspuertasdesusinstalaciones.Sinsuayudaestatesisnopodríahabersellevadoacabo.

Tambiéndeseoexpresarmimássinceroagradecimientoamiscompañerosde la Dirección de la Escuela de Ingenierías, en especial a su director RamónÁngelFernándezporsuapoyoincansablee incondicional,porsuscorrecciones,por su persistencia, paciencia y motivación. Asimismo mi agradecimiento aManuel Castejón por dar luz a esta investigación y dejarme disfrutar de sudestrezaconelanálisisdedatos.

NopodríaolvidarmedeCovadongaporelapoyomostradoenestosúltimosañosyporsudesinteresadacolaboraciónentodomomento.

De mi tierra trujillana doy gracias por todo su amor a mis padres y mishermanos que han entendido mis largas ausencias este tiempo y han estadosiempre ami lado; y ami abuelaOlvidoque entrañablementemepreguntabaquéesloqueestabahaciendoparatardartantoenterminar.

Porúltimo,doygraciasalapersonamásimportanteenmivida,aquienhoydíasuponeelimpulsoyelmotorentodoloquehago.GraciasAlba.

I

ÍNDICE

1 INTRODUCCIÓN...........................................................................1

1.1 RESEÑAHISTÓRICADELESTUDIODELORIGENDELASVIBRACIONES........2

1.2 JUSTIFICACIÓNDELTEMADETESIS............................................................3

1.3 OBJETIVOSPLANTEADOS............................................................................6

2 ESTADODELARTE.......................................................................7

2.1 MEDICIONESVIBRATORIASENMÁQUINASRECIPROCANTESYROTATIVAS..................................................................................................8

2.2 VIBRACIONESYFALLOSENCOMPRESORESFRIGORÍFICOSSEMIHERMÉTICOSALTERNATIVOS(CFSA)................................................12

2.2.1 Introducción.........................................................................................12

2.2.2Categorizacióndefallosencompresoresalternativos........................14

2.3 SISTEMASEINSTRUMENTACIÓNPARALAMEDIDADEVIBRACIONES.....20

2.3.1 Introducción.........................................................................................20

2.3.2Clasificacióndelostransductores........................................................21

2.3.3Transductoresparalamedidadevibraciones.....................................22

2.3.4Acelerómetrostípicos..........................................................................25

2.3.5Característicasdelosacelerómetros...................................................26

2.3.6Eleccióndelacelerómetroempleadoenlasmediciones......................28

2.4 TÉCNICASDEMEDIDADELAVIBRACIÓN..................................................28

2.4.1Planificacióndelamedición................................................................28

2.4.2Seleccióndelparámetroamedir.........................................................31

2.4.3Montajedelacelerómetrosobrelasuperficiedemedida...................32

2.5 ANÁLISISFRECUENCIALDELASMEDIDASVIBRATORIAS..........................36

2.5.1Aspectosaconsiderar..........................................................................36

II

2.5.2Eleccióndelmétododeanálisis..........................................................41

2.5.3Eleccióndelanalizadordevibraciones................................................42

3 DISEÑODEEXPERIMENTOS.......................................................45

3.1 CARACTERÍSTICASDELOSCOMPRESORES...............................................46

3.2 TÉCNICADEMEDIDA................................................................................49

3.2.1Normativautilizada............................................................................49

3.2.2Conveniosgeneralesempleadosenlasmediciones............................50

3.2.3Conveniosparticularesempleadosenlasmediciones........................50

3.2.4Técnicapropuesta...............................................................................52

3.3 SELECCIÓNDELAINSTRUMENTACIÓN.....................................................58

3.3.1Requisitosdelainstrumentación........................................................58

3.3.2 Instrumentación..................................................................................60

3.4 PROTOCOLODEMEDIDA..........................................................................63

3.4.1Configuracióndelainstrumentación..................................................63

3.4.2Procedimientoparalarealizacióndemediciones...............................64

4 RESULTADOSEXPERIMENTALES.................................................71

4.1 TRATAMIENTODELOSRESULTADOSOBTENIDOS...................................72

4.2 ANÁLISISDEVALORESRMS,PICO-PICOYPICO........................................90

4.3 PERFILESCARACTERÍSTICOS.....................................................................94

4.4 ANÁLISISDERESULTADOS........................................................................96

5 CONCLUSIONES.......................................................................101

5.1 CONCLUSIONES......................................................................................102

5.2 LÍNEASDETRABAJOFUTURO.................................................................103

6 BIBLIOGRAFÍA..........................................................................105

III

ANEXOAEspectrosdevibracionesSantaNonia..........................113

ANEXOBEspectrosdevibracionesdelrestodecompresores......121

ANEXOCAmplitudcombinadaXYPerfil1...................................213

ANEXODAmplitudcombinadaXYPerfil2...................................255

ANEXOEAmplitudcombinadaXYPerfil3...................................277

ANEXOFAmplitudcombinadaXYPerfil4...................................299

ANEXOGAmplitudcombinadaXYPerfil5...................................309

V

ÍNDICEDEFIGURAS

Figura2.1Roturadepistones[30].................................................................15

Figura2.2Válvuladesuccióndañadaporgolpedelíquido[30]...................15

Figura2.3Carbonizacióndelplatodeválvulas[30].......................................18

Figura2.4Cobreamientodelosengranajesdeunabombadeaceite[30]...20

Figura2.5Cadenademedidadevibraciones(CortesíadeBrüel&Kjӕr).......21

Figura2.6(a)Esquemadeunacelerómetropiezoeléctricosísmicolineal.(b)

Una masam descansa sobre el elemento piezoeléctrico, que actúa como

muelle con una constante k. La amortiguación en el sistema posee un

coeficiente c. (c) El marco es acelerado hacia arriba, produciendo un

desplazamientoudelmismo,moviendolamasadesdesuposicióninicialen

unamagnitudxycomprimiendoelmuelleenunamagnitudδ[32].............23

Figura2.7Curvaderespuestadeunacelerómetropiezoeléctrico[32]........24

Figura 2.8 Clasificación de acelerómetros piezoeléctricos (Cortesía Brüel &

Kjӕr)...............................................................................................................25

Figura 2.9 Gama dinámica de acelerómetros piezoeléctricos (Cortesía de

Brüel&Kjӕr)...................................................................................................27

Figura 2.10 Sensibilidad transversal de los acelerómetros piezoeléctricos

(CortesíadeBrüel&Kjӕr)...............................................................................33

Figura2.11Eleccióndelaposicióndemontaje[24]......................................34

Figura2.12Métodosdefijacióndeacelerómetros[24]................................36

Figura3.1Disposicióndelospuntosdemedida(CortesíaBITZER)...............52

Figura3.2DireccionesV-H-Aenelpuntodemedida1.................................53

Figura3.3Colocacióndelacelerómetrotriaxialenelpuntodemedida1....54

Figura3.4Disposiciónde lasposicionesmáquinade impactos-acelerómetro

.......................................................................................................................56

Figura3.5AnalizadorSVAN948.....................................................................61

VI

Figura3.6AcelerómetrotriaxialPCBPiezotronics.........................................62

Figura3.7CalibradordecampoRIONVE-10..................................................62

Figura3.8Vistageneraldelasalademáquinas“ErasdeRenueva”..............66

Figura 3.9 Disposición de compresores en la sala de máquinas Eras de

Renueva..........................................................................................................66

Figura3.10OrientacióndelosejesdelacelerómetroPCBPiezotronics........67

Figura 3.11 Método de fijación del cable de conexión (Cortesía de

Brüel&Kjaer)...................................................................................................69

Figura 4.1 Interpretación del sistema de accionamiento de un compresor

alternativoconcilindrosdispuestosenlínea[10]..........................................75

Figura 4.2 Interpretación del sistema de accionamiento de un compresor

alternativoconcilindrosdispuestosenV[10]...............................................76

Figura4.3Análisisdiscriminante[58]............................................................78

Figura4.4Análisisclúster[58]........................................................................79

Figura4.5Árboljerárquicoresultantedelasagrupaciones...........................82

Figura4.6LDA5clases...................................................................................84

Figura4.7PesosLDA1-4................................................................................85

Figura4.8Perfil1promediodeamplitudcombinada....................................87

Figura4.9Perfil2promediodeamplitudcombinada....................................87

Figura4.10Perfil3promediodeamplitudcombinada..................................88

Figura4.11Perfil4Promediodeamplitudcombinada..................................88

Figura4.12Perfil5Promediodeamplitudcombinada..................................89

Figura4.13ÁrbolHCLUST...............................................................................92

Figura4.14HCLUST5clasesLDA....................................................................93

VII

ÍNDICEDETABLAS

Tabla 2.1 Factores más importantes a considerar en la selección del

equipamientoylastécnicasdemedicióndelavibración.....................................29

Tabla2.2Guíaparalaseleccióndelparámetrodemedición[15]........................31

Tabla3.1Relacióndesalasdemáquinasyequiposquealbergan.......................46

Tabla3.2Nomenclaturadelospuntosdemedida...............................................52

Tabla3.3Especificacionestécnicasdelamáquinadeimpactos..........................56

Tabla3.4Resultadosobtenidosencadaensayo..................................................57

Tabla3.5CaracterísticasdelmonitordevibracionesSVAN948...........................60

Tabla3.6Especificacionestécnicasdelacelerómetro356A02.............................61

Tabla3.7ConfiguracióndemedidadelanalizadorSVAN948..............................64

Tabla3.8Instrumentacióndelacadenademedidayaccesorios.........................65

Tabla 4.1 Parámetros representativos de la distribución observada en las

vibracionessegúnlosejesX,Y,ZenloscompresoresdeSantaNonia.................73

Tabla 4.2 Parámetros representativos de la distribución observada en las

vibracionessegúnlosejesX,Y,Zenelrestodecompresores.............................74

Tabla4.3Frecuenciasquecontienenel95%delainformación...........................86

Tabla4.4Tabulacióncruzada................................................................................94

Tabla4.5Clasificacióndecompresoressegúnclases...........................................94

Tabla4.6Clasificacióndelassalasdemáquinassegúnclases..............................97

IX

RESUMEN

Este trabajopresentaunametodologíabasadaenelempleodealgoritmos

de clasificación automática para obtener patrones vibracionales comodescriptores del comportamiento en régimen permanente de compresoresfrigoríficos semiherméticos alternativos. En primer lugar define la técnicaadecuadaparaelegirloselementosdelacadenademedida,asícomoelsistemade sujeción del transductor, su posición y las direcciones en que se han decolocar sus ejes. Los resultados de aplicar esta técnica en un total de ciencompresores, distribuidos en quince salas de máquinas, se utilizaron paraalimentar a un sistemade clasificación automática. El sistema identificó cincofirmas espectrales que se diferencian en cuál de los dos primeros armónicostiene mayor amplitud, en la amplitud de ese armónico, y en la presencia dearmónicos significativos entre 400 y 600 Hz. Se ha observado que elcomportamientovibracionalde loscompresoreses independientede lasalademáquinas en que se encuentren ubicados, mientras que compresores de unmismo fabricante con igual número de cilindros tienden a presentar elmismopatrónvibracional.

XI

ABSTRACT

This work presents a methodology that uses automatic classification

algorithms to obtain vibrating patterns as descriptors of semi hermeticreciprocating compressorsworking at steady-state. First,we define the propertechniquetochoosetheelementsofthemeasuringchain,thetransductorfixingsystem, its position and the directions of its axes. The results of testing onehundred compressors, distributed along fifteen rooms, fed an automaticclassificationsystemthatfoundoutfivesignatures.Theseprofilesdifferinwhichofthefirsttwoharmonicsisgreater,intheamplitudeofthatharmonic,andalsointhepresenceofsignificantharmonicsbetween400and600Hz.Theanalysisofthe results shows that the performance of compressors is independent of theroom,whilecompressorsbythesamemanufacturerandwiththesamenumberofcylindertendtoshowthesamevibratingpattern.

1

INTRODUCCIÓN

Enestecapítulosepresentaunabrevereseñahistóricadelestudiodelorigendelasvibracionesenelqueseenmarcalaideaprincipaldelatesis.Apartedeellosejustificaeltemadetesiscentrandolaatenciónenlascausasqueprovocanlosniveles de vibración en dispositivos mecánicos, focalizando el estudio delcomportamiento vibratorio en los compresores frigoríficos semiherméticosalternativos (CFSA), piezas claves en el mantenimiento de instalacionesfrigoríficasdetamañomedio.Parafinalizarseplanteanlosobjetivosdelatesis.

Capítulo1.-Introducción

2

1.1 RESEÑAHISTÓRICADEL ESTUDIODELORIGENDE LASVIBRACIONES

Remontándonosenlahistoria,Pitágorasdesarrollólateoríadelosnúmerosylateoríadelamúsicaylaarmoníaendondeestablecíalarelaciónentreestasdosciencias[1].Pudoconcluirunestudioenelqueafirmóquelamúsicanoeramásqueunarelaciónmatemáticadelasvibracionesmedidassegúnintervalos.

Por otro ladoAristótelesescribió el primer documento relacionado con laacústicatituladoOnAcoustic[2].

GalileoGalileiencontrólarelaciónexistenteentrelalongituddecuerdadeunpénduloy su frecuenciadeoscilación,ademásencontró la relaciónentre latensión,longitudyfrecuenciadevibracióndelascuerdas.

Enelcampode lasvibracioneselusode las leyesdeNewton[3]formaunpapelimportanteenelanálisisdesistemasyladeterminacióndefrecuenciasdeoscilación.

Daniel Bernoulli estudió la forma de vibrar de algunos cuerpos usando elprincipiode superposiciónde armónicos [4]. El debate sobre la ecuaciónde lacuerda, sometida a una vibración en unmismo plano, es importante desde elpuntode vistamatemático, no sólo porque representa el primer análisis de lasolucióndeunaecuacióndiferencialenderivadasparciales,sinoademásporquela discusión llevó a cuestionar las nociones establecidas de función y derepresentación de funcionesmediante series trigonométricas. En particular enlasideasdeBernoulliestabaelgermendelateoríadelarepresentaciónenseriesde Fourier establecidasenel sigloXIX con los trabajosdeDirichlet,Riemannyotros.

EnelsigloXVIIIelmatemáticofrancésJosephFourier[5]vinoarealizarunadelasaportacionesmásrelevanteseneláreadelasvibraciones,yaquemuchasdelasfuncionesmásconocidaspodíanexpandirseenseriesdesenosycosenos.LosmodernosanalizadorestrabajanenbasealalgoritmodelaseriedeFourier,siendoestaunade lasmayores contribuciones en el campode las vibracionesmecánicas.


3

En 1909, Frahm propuso una forma de reducir las vibraciones mecánicasmediante la implementación de sistema agregado masa-resorte [6]. StodolaAurel hizo aportaciones importantes relacionadas con las vibraciones demembranas, vigas y placas [7]. Timoshenko realizó estudios centrados en lateoríadevibraciónenvigas[8].

Por otro lado, algunas contribuciones matemáticas ampliaron el área deinvestigación del campo de las vibracionesmecánicas. Pormencionar algunos,los métodos de Rayleigh que sirven para determinar las frecuencias deresonancia de algunos elementos basándose en ecuaciones de energía , lasvariables de estado que permiten resolver y analizar problemas basados enecuaciones diferenciales no lineales, el elemento finito que consiste endiscretizar cualquier elemento para posteriormente modelizar y analizar sucomportamiento como pudiera ser los modos de vibrar y las ecuacionesestadísticasquefacilitaronelestudiodevibracionesaleatorias[9].

1.2 JUSTIFICACIÓNDELTEMADETESIS

Cuandoelniveldedeteriorodeunamáquina llegaaunciertopunto,éstaempieza a operar demanera anómala. Si dicha anomalía no es corregida, losdaños evolucionan, con mayor o menor rapidez, hasta llegar a su completainoperatividad,bienporroturaodeteriorodealgunodesuscomponentesobienpor no ofrecer las prestaciones para las que había sido diseñada.Independientemente del tipo de máquina de la que hablemos, los niveles devibración excesivos son siempre perjudiciales para su funcionamiento y estánlimitadosporalgunasnormativasvigentes[10].

Los compresores frigoríficos reciprocantes soportan durante sufuncionamiento esfuerzosmecánicos que inducen vibraciones y establecen unestadodetensionesqueprovocaneldesgasteyelenvejecimientoprematurodesuscomponentes[10].

Elfactormásinfluyenteenelestudiodelcomportamientovibratoriodeloscompresores y motores alternativos es el incremento del grado deautomatización de las instalaciones en las que operan, con el objetivo deminimizaralmáximolamanodeobradelpersonalquelasatiende.


4

Los avances tecnológicos producidos en el sector del frío industrial, hanpropiciado la creación de compresores más compactos con unas dimensionesmuyajustadas.Estareduccióndedimensionespuedesacrificarlaestabilidaddefuncionamientodeloscompresoresfrigoríficos.

Sitenemosencuentaporunlado,ladisponibilidaddeequiposdemediciónyanálisiscadavezmáspotentesyaunpreciocadavezmáscontenido,yporotrolado la concienciación de los usuarios de instalaciones frigoríficas para laimplantación de los mismos, esto ha propiciado la introducción paulatina desistemasdemantenimientobasadosenelanálisisdevibraciones.

Las consecuencias más directas que puede ocasionar una avería en unamáquinason:

- Incrementodecostesrelativosalareparación.- Mayoresfuerzodereparación.- Reduccióndeltiempodefuncionamiento.- Pérdidadeprestaciones.- Incrementoenelconsumoenergéticoenaveríasincipientes.- Riesgoparalaseguridaddelaspersonas.- Riesgoparalaintegridadestructuraldelasinstalaciones.- Aumentodelruidoproducido.El Mantenimiento ha protagonizado una destacable evolución desde

mediados del siglo XX, convirtiéndose en una potente herramienta para ladisminucióndeloscostosprovocadosporlainutilizacióntemporaldelosequiposyporlasparadasdeproducción[11].

Los principales objetivos del mantenimiento, manejados con criterioseconómicosydirigidosaunahorroenloscostosdeproducciónson:

1. Llevar a cabo una inspección sistemática de todas las instalaciones conintervalos de control, para detectar cualquier desgaste o roturamanteniendolosregistrosadecuados.

2. Mantener permanentemente los equipos e instalaciones, en su mejorestadoparaevitarlostiemposdeparada.


5

3. Efectuar las reparaciones de emergencia empleando métodos dereparaciónfácilesyrápidos.

4. Prolongarlavidaútildelosequiposeinstalaciones.

5. Sugeriryproyectarmejorasenlamaquinariayequiposparadisminuirlasposibilidadesdedañoyrotura.

6. Controlarelcostodirectodemantenimientomedianteelusocorrectoyeficientedeltiempo,materiales,manodeobrayservicios.

Para alcanzar estos objetivos se han desarrollado diferentes tipos de

mantenimiento, diferenciándose entre sí por el carácter de las tareas queincluyen.Elconocimientodelascaracterísticasdecadaunodeellos,esnecesarioconlafinalidaddeestablecerlaestrategiademantenimientomásadecuadaparacadatipodemáquina.

Los avances de la tecnología han proporcionado múltiples métodos quepermiten la evaluación exterior de las condiciones de la máquina sindesmontarla, e incluso sin pararla. Estas técnicas han dado origen al llamadomantenimientopredictivo,queconsisteenladetección,análisisycorreccióndeaverías mediante la comparación y análisis de parámetros y variables físicasmedidasenlamáquina(vibraciones,temperatura,consumodeenergía,etc.),sinnecesidaddedetenerelprocesoproductivo.

Analizando la evolución de los parámetros controlados mediante unavigilanciacontinuaoperiódica,sepuedepredecircuandoseproducirálaavería.Sabiendocuándosedebeactuarycuáleselelementoenmalestado,sepuedeplanificar la intervención con gran exactitud, determinando el coste de laoperación.

El análisis de vibraciones es una de las técnicas más potentes para laidentificacióndeanomalíasen lasmáquinas.Elhechodequeelestadodeunamáquinaestéíntimamenterelacionadoconlasvibracionesconstituyeelmétodomáseficazyversátildemantenimiento.

Enelcampodelasmáquinasrotativaselanálisisdevibracioneshapermitidoladeteccióndemúltiplesaverías tales comodesalineamientosodesbalanceos,desequilibrios, holguras, problemas de lubricación, excentricidad, cojinetes defriccióndefectuosos,problemasdeengranajes,etc.


6

En general las máquinas rotativas poseen niveles de vibración muy bajoscuandofuncionanencondicionesnormalesodeaparentenormalidad,porloquecuandoapareceunavibraciónanormalsedetectarápidamentey,loqueesmásimportante,puedeasociarsefácilmenteaalgúndefectocaracterístico[12].Porelcontrario las máquinas o motores alternativos, debido a su principio defuncionamiento,presentannivelesdevibraciónrelativamentealtosaúncuandoestén funcionando correctamente [13]. Esta característica hace que resultecomplejodetectarunpequeñoniveladicionaldevibracionesprovocadoporunaaveríaincipiente.

1.3 OBJETIVOSPLANTEADOS

Puesto que el comportamiento vibratorio es el resultado del conjunto deexcitacionesqueactúansobrelamáquina,máslarespuestadelaestructura,sehanplanteadolossiguientesobjetivos:

a) Diseñar una técnica para medir vibraciones in situ de compresoresfrigoríficos semiherméticos alternativos, en adelante CFSA. Esta técnicacontemplará convenios generales basados en la normativa vigente yconvenios particulares diseñados para determinar posiciones ydireccionesdemedida,asícomosistemasdefijacióndetransductores.

b) Diseñar un método para la obtención de un patrón vibracional de losCFSA, que caracterice el comportamiento in situ de los mismos enrégimenpermanenteenfuncióndelespectrodevibracionesmedido.

c) Establecer el patrón vibracional obtenido en los CFSAmedidos, para suposteriorclasificación.

2

ESTADODELARTE

Alolargodeestecapítulosehaceespecialmenciónalaimportanciadelasmediciones vibratorias, tanto en máquinas reciprocantes como en máquinasrotativas,comométodoparalamonitorizacióndelasseñalesvibratoriasdecaraaunmantenimiento lomásefectivoposible.Sehacehincapiéen losproblemasgeneradoresyamplificadoresdelavibraciónmecánicaenlosCFSA,asícomolasposibles consecuencias que puede acarrear unmantenimiento inadecuado a lolargo de la vida útil de losmismos. Los sistemas e instrumentación empleadosparalamedidadevibraciones,sonotrosdelosaspectosatratarenestecapítuloasí como los requisitos que debe cumplir el transductor que se emplea en lasmedidasdevibraciones.Enelapartado2.5sereflejanlastécnicasdemedidadelavibración,planificaciónde lasmedidasasícomolaseleccióndelparámetroamedirylosdistintosmétodosdemontajedelacelerómetro.Comoúltimopuntoatratarsedetallanlosmétodosdeanálisisfrecuenciales,enfocandodichoanálisisal empleo del método FFT para espectros frecuenciales de anchura de bandaconstanteyalaeleccióndelanalizadordevibracionesempleado.

Capítulo2.-Estadodelarte

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2.1 MEDICIONES VIBRATORIAS EN MÁQUINASRECIPROCANTESYROTATIVAS

Elanálisisdevibracioneshasidounadelasprimerastécnicasempleadasenlamonitorizacióndeseñalesusadasenelcampodelmantenimiento,ycontinúaplenamente en vigor fundamentalmente en máquinas rotativas. Esta técnicapresenta en ocasiones algunos inconvenientes, como puede ser la ubicación yposicionamiento de los sensores, cuando se desea tener medidas precisas devibracionesdepiezaspocoaccesiblesomuymóviles,demodoquehagandifícilelcontactofísicodelsensorconelelementoaestudiar[14].

Dada la estrecha relación entre vibraciones y sonidos, se han exploradotecnologíascapacesdepredecirelestadodepiezasdemaquinariapormedioderegistros acústicos, comparando el sonido producido por la pieza nueva o enbuenestadoconeloriginadoporlapiezafuncionandoconundefecto.

Apesardenoserobjetodeesteestudio,caberesaltar la importanciaqueestá teniendo cada vezmás la utilización demedidas acústicas (intensimetría)orientadas al mantenimiento de dispositivos mecánicos [11],independientementedesuprincipiodefuncionamiento.

La complejidad de las ondas acústicas emitidas por los dispositivosmecánicos, hacen que sea aún más difícil el análisis de la señales acústicascaptadas. Normalmente es excesiva la riqueza de información codificada quetransportalaondaacústica,tantoquenoresultafácildiscriminarcualessonlasseñalesqueinteresacontrolar[15].

Existentrabajosdeinvestigaciónrelacionadosconelanálisisdevibracionescon la intencióndeavanzarenelconocimientode losmecanismosbásicosqueproducenlasexcitacionesy,deestaforma,mejorarlaeficaciadedichosanálisisaumentando la fiabilidad en la determinación del estado de lasmáquinas. Unejemploclarodevibracionesmecánicassonlasplantashidroeléctricas[16]enlasque se ha profundizado mucho en las técnicas para la corrección de lasanomalías que las originan. Actualmente la monitorización se requiereprincipalmenteparacontrolarsusamplitudes,quesevuelvenpeligrosascuandoson elevadas. El desequilibrio demanda cuidados sobre todo en máquinasrotativas rápidas (turbocompresores, turbobombas, etc), las cuales operan a


9

velocidades rotacionales por encima de sus primeras frecuencias naturales,pasandoporvelocidadescríticasduranteelarranque[17].

Las complejas señales vibratorias emitidas por las transmisiones de losengranajes, son también utilizadas para detectar, en estado incipiente, laaparicióndesíntomasdefallosofatiga.Dossonlosfactoresquecontribuyenaesto:porunapartelapresenciadediferentesfuentesdevibraciónpróximasalatransmisiónqueproducenvibracionesenbandasdefrecuenciasimilares,comoes el caso de los rodamientos, y por otra parte, el gran peso relativo quepresenta la vibración de carácter aleatorio producida por distintos tipos defenómenosduranteelengrane,talescomoelerrordetransmisión,deteriorodelos dientes, inicio y fin del contacto, etc. Estos componentes vibratorios semanifiestan en banda ancha llegando a enmascarar por completo a loscomponentes vibratorios de carácter periódico que constituyen la base deldiagnóstico,comoesporejemplolafrecuenciadeengrane[18].

En2010sepublicó[14]laimplementacióndeunanálisisdemantenimientobasadoencondiciónde loscompresores reciprocantesyde tornillo. La técnicadelanálisisdinámicosehaaplicadoenloscompresoresreciprocantesmedianteun equipo ultrasónico demonitorizado dinámico;mientras que la herramientaempleadaenloscompresoresdetornillohasidounequipodemonitorizadodevibraciones. Es conveniente compatibilizar las mediciones de condición de loscompresoresconlatomadedatosdeoperaciónyelanálisisdellubricante,conlaintencióndecruzardatosyencontrarrelaciónentreellos.

Enelcasodelasturbomáquinassehanestudiadolasemisionesdeseñalesvibratorias junto con otras señales (presión y ruido principalmente),comprobándoselapotencialidaddelanálisisderegistrovibratorio,enparticulardevibraciónfluidodinámica,esdecirseparandoéstedelavibraciónemitidaporelementos mecánicos como rodamientos, masas desequilibradas, etc., paradetectarsilaturbomáquinaestáfuncionandopróximaoalejadadesupuntodediseño;paraobservar fallos simuladosen laaperturayángulodeunoovariosálabes;yparadetectar,enestado incipiente tantoeldesprendimientorotativoquesepresentaencompresoresyventiladoresaxiales,como lacavitaciónquetienelugarenlasbombas.

El análisis vibratorio presenta numerosas dificultades prácticas aún noresueltas en la actualidad, al menos completamente. Hay que tener un


10

conocimientomuyprofundodelfuncionamientodelamáquinaypoderdescifrarde la señal extraída qué parte pertenece a cada perturbación y eliminar lasseñalesqueenmascaranlainformaciónimportante.

El comportamiento vibratorio de los compresores frigoríficossemiherméticos alternativos (CFSA) es complejo debido al número de fuerzasdinámicas que actúan cuando los equipos están en funcionamiento. Estasexcitaciones, que resultan en vibraciones, dependen del tipo demáquina y suinteracción con los circuitos. Asimismo, los CFSA tienen comportamientosdistintos según su diseño y régimen de funcionamiento. Muchos trabajosrelacionadosconanálisisdevibraciónsehandesarrolladoafindeavanzarenelconocimiento de los mecanismos básicos que producen las excitaciones y, deestaforma,mejorarlaeficaciadedichosanálisisaumentandolafiabilidadenladeterminacióndelestadodelasmáquinas[19].

Eldesequilibriodemandacuidadossobretodoenmáquinasrotativasrápidas(turbocompresores, turbobombas, etc.), las cuales operan a rotaciones porencimadesusprimeras frecuenciasnaturales,pasandoporvelocidadescríticasdurante el arranque [20]. En el caso de los grupos hidroeléctricos, aunqueoperen con rotaciones bajas, por debajo de su velocidad crítica, los rotoresposeen masas y diámetros elevados, de forma que el desequilibrio puedeproducir vibraciones de amplitud peligrosa. Los tipos de desequilibrio estáncontemplados en la norma ISO 1925:2001 [21]. Por otro lado, la calidad delequilibrado en función de la rotación de lamáquina está recomendada por lanormaASAS2.19-1999(R2004)[22].

EnelcasodelasmáquinasreciprocantesoalternativasVictorWowk[23],ensupublicaciónMachineryVibration,yaindicabaqueelanálisisdelasvibracionesenestetipodemáquinasesmuycomplejoyaquecausamásvibracionesquelasmáquinasrotativas.

Inherentemente loscompresoresreciprocantestienenelevadasvibracionesa1xrpmyarmónicos.Lasvibracionessoncausadasporlafuerzaejercidaporlapresióndelgasyeldesbalanceo[24].Lafuerzadepresióndelgasprovienedelacámara de combustión o cámara de compresiónmientras que el desbalanceoprovienedelasconexionescigüeñal–biela–pistónquecontinuamenteprovocacambios en los radios de sus centros de masa. Esto puede ser parcialmentecompensadoporcontrapesos.


11

Las vibraciones que se producen a una frecuencia igual a la mitad de lafrecuenciadelavelocidaddegirodelmotor,esdecir½xrpm,soncomunesenmotoresdecuatrotiemposdondeelárboldelevasgiraalamitaddelavelocidaddelcigüeñal.Lasamplitudesdealtafrecuenciaenestasfrecuencias(1y½xrpm)y los armónicosnonecesariamente indicanque sehaproducidounproblema.Las máquinas reciprocantes pueden tolerar grandes amplitudes de vibracióndurante largos períodos de tiempo [23]. En el caso de motores de velocidadvariable, la presencia de frecuencias de fuerzas de conducción tiene un altopotencialparaexcitarresonanciasestructurales.

SegúnSingiresuRao[25]elexcesodevibraciónenmáquinasreciprocantestambiénsedebeaproblemasoperacionalestalescomo:golpesdepistón,fugasen la compresión y choque de válvulas entre otros. En el caso demotores decuatrotiemposestoocurrea½xrpmsiunodeloscilindrosseveafectado.

Werner Soedel [10] en su publicación Sound and vibrations of positivedisplacementcompressors,haceunamenciónespeciala lasprincipales fuentesderuidoyvibracionesinherentesaloscompresoresreciprocantesoalternativos,centrando la atención en los mecanismo de transmisión. En el caso de uncompresorfrigoríficomonocilindrico,elcigüeñalhacequecambieladireccióndelafuerzanormalentreelpistónyelcilindro.Unodelosproblemasmástípicosenestos compresores es el denominado slap pistono golpe de pistón. Cuando elespacio entre el cilindro y el pistón es excesivamente amplio, se producenholguras en el interior del cilindro. Dichas holguras se traducen en pérdida depotencia y en un ruido característico que pueden excitar a todos los modosnaturalesdelosdiferentescomponentesdelcompresor,deloscualeselcilindroesunaparte.

Una segunda fuentede ruidoúnicaes laoriginadaapartirde la fuerzadeagitacióncausadaporelmecanismodelabiela,quetieneunnúmeroinfinitodearmónicos de la frecuencia de velocidad de rotación. Soedel concluye que,mediante el diseño multicilindro, se reduce gran parte de las fuerzas deexcitación y como consecuencia las vibraciones que pueden perjudicar elfuncionamientonormaldeloscompresores.


12

2.2 VIBRACIONES Y FALLOS EN COMPRESORESFRIGORÍFICOS SEMIHERMÉTICOS ALTERNATIVOS(CFSA)

2.2.1 Introducción

Lasmáquinas frigoríficasdepotenciamediaempleadasen supermercados,se componen de varios subsistemas de los cuales el compresor es el másimportante por tres causas relacionadas entre sí: tiene la mayor parte de losórganos móviles, con estrechas tolerancias de fabricación entre ellos y, portanto,eselmássusceptibledeaveriarseespecialmenteantevibraciones.

Por orden de importancia, lo que se busca en un compresor frigorífico es[26]:

• Fiabilidadmecánicaparaevitarconsecuenciasenlalíneadeproducción.

• Rendimientoenergético.Unavezaseguradalafiabilidad,debemosvelarporelconsumodeenergíademandadaporelcompresorparaproducirfrío.

• Precio. Este factor suele ser colocado erróneamente en el primer lugarpor sereldesembolso inicial laprincipalpreocupación.Peroelnegociosehaceconlaproducción,noconelahorroenlainversión.

Las vibraciones enunamáquinano son aceptables, pero almismo tiemposonelmejor indicativode lacondiciónmecánicadeunequipo,yseconviertenentoncesenunaherramientadepredicciónmuysensibledelaevolucióndeundefecto. Sepuedededucirentoncesque las vibracionesdeunamáquinaestándirectamenterelacionadasconsuvidaútildedosmaneras:

1. Un bajo nivel de vibraciones es un indicativo de que la máquinafuncionarácorrectamenteduranteunciertoperíododetiempo.

2. Unaumentodedichonivelindicaquelamáquinaseestádegradandoyseencaminaaalgúntipodeproblema.

Comodatosignificativo,seaceptaquelamediciónyanálisisdevibracionesson capacesdepredecirhastael 90%de los fallosenmáquinas [27], entre lasqueseencuentran:


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Problemasgeneradoresdevibraciónmecánica

- Desalineamiento

- Desgasteencorreasypoleas

- Fuerzashidráulicasyaerodinámicas

- Fuerzasdereacción,reciprocantesydefricción

- Ejesdoblados

- Problemasdeengranajes

- Problemaseléctricos(tantoCAcomoCC)

- Desequilibrios

- Defectosenloscojinetesyrodamientos

Problemasamplificadoresdevibraciónmecánica

- Resonancia.

- Holguras(Slappiston).

EnesteapartadosereflejanlasposiblesconsecuenciasquepuedeacarrearunmantenimientoinadecuadoalolargodelavidaútildeunCFSA.

La práctica totalidadde los compresoresquehay enelmercado, han sidoproyectados para soportar pequeños problemas del sistema frigorífico en suconjunto.Elpropiocompresorraramenteeselproblemaensistemasfrigoríficosque presentan fallos. La llave para el mantenimiento de equipamientos concompresoresreciprocanteshoyendíasebasaenuncompletoentendimientodelascondicionesydelasecuenciadeloshechosquellevanafallos[28,29].

Esta investigación trata de analizar las vibracionesmecánicas en los CFSAindependientemente del origen o causa que motiva o pudiera motivar losdistintosfallosdetectadosendichosdispositivosmecánicos.Esporestemotivo,porelquecabeseñalarque los fallosdetectadosen losCFSApuedentenerunorigeninternoobienpuedenprovenirdelpropiosistemafrigorífico,aunqueenambos casos el compresor es el dispositivomecánico de un sistema frigoríficoquesufrelasconsecuencias.


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2.2.2 Categorizacióndefallosencompresoresalternativos

Lamayoríadelosfallos,conexcepcióndelosdefectosdelproducto,puedenserclasificadosenlassiguientescategoríasgenerales:

1. RETORNODELÍQUIDOREFRIGERANTE

2. GOLPEDELÍQUIDOREFRIGERANTE

3. PROBLEMASDELUBRICACIÓN

4. TEMPERATURADEDESCARGAELEVADA

5. CONTAMINACIÓNDELSISTEMA

6. PROBLEMASELÉCTRICOS

7. FALLOSINDETERMINADOSDELCOMPRESOR

1.RETORNODELÍQUIDOREFRIGERANTE

El retorno de líquido refrigerante se produce principalmente cuando elrecalentamiento del gas en la zona de succión del compresor tiende a cero,debidoalefectodetergentedelrefrigerante.Debidoaesteefectolapelículadelubricación de las partes móviles del compresor se remueve y,consecuentemente, provocará su rotura mecánica. Las piezas dañadas delcompresornopresentanaceiteniseñalesdecarbonización(Figura2.1).


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Figura2.1Roturadepistones[30]

2.GOLPEDELÍQUIDOREFRIGERANTE

Eseldañocausadoporlapresiónhidrostáticacuandoelcompresorrealizalacompresión de un líquido (aceite, refrigerante o ambos). El resultado provocadañosalasválvulasdesuccióndelcompresor(Figura2.2).

Figura2.2Válvuladesuccióndañadaporgolpedelíquido[30]

Lascausaspuedensermuydiversas:

a) Retornodelrefrigerantealcompresordebidoalainadecuadaeleccióndelaválvuladeexpansión


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Unaválvuladeexpansiónindebidamentesobredimensionadasetransformaenunadelasprincipalescausasderetornodelíquidoydelgolperesultante.Larazónesqueencargaparcial,laválvulaintentamantenerelcontrolensuajustede recalentamiento, sin embargo al estar sobredimensionada pasa másrefrigerante de lo necesario. Eso sobrealimenta el evaporador, causando unarápidareducciónenelrecalentamientodelgasdesalida.Enrespuestaaeso,laválvulasecierrahastaqueelrecalentamientosearestablecido.Enesepuntolaválvulaseabrenuevamenteparadarpasoaunanuevaporciónde líquido.Esacondición de búsqueda (hunting) permitirá que el líquido fluya a través delevaporadorypuedaentrarenelcompresorpudiendocausardaños.

b) Migracióndelrefrigerante

Esel resultadode la condensaciónde refrigeranteen lapartemás fríadelsistema. Para evitar la migración de líquido refrigerante proveniente delcondensador, se recomienda instalar una válvula de retención en la línea dedescargadelcompresoryunsifóninvertidoenlaentradadelcondensador.

c) Retornodeaceite

Un sistema de tuberías bien proyectado promoverá un movimientouniforme del aceite, evitando su acumulación. Si un proyecto inadecuado detuberíaspermitequegrandes cantidadesdeaceite sean retenidas cuandoestáencargamínima,elaceitepodráretornaralcompresorcuandovuelvaatrabajarencapacidadmáselevada.

Los compresores reciprocantes que funcionan con normalidad recirculanentreel1%yel3%deaceiteporcadakilogramoderefrigerante.

3.PROBLEMASDELUBRICACIÓN

Problemasrelacionadoscondesgasteexcesivocausadoporlafaltadeaceitelubricanteenlasáreasesenciales.

Dentro de las categorías comunes de problemas de lubricación delcompresor están la dilución del aceite, la pérdida de aceite y la viscosidadreducidadelaceitedebidoalrecalentamientodelcompresor.


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Dilucióndelaceite

Comoelaceiteposeeunagranafinidadpor los refrigerantes frigoríficossepuedefácilmenteentendercómoéstesepuedediluirexcesivamentedurantelasparadas prolongadas, haciendo que pierda gran parte de sus cualidadeslubricantes.Lamezclamásdensayricaenrefrigerante,seencuentraenlaparteinferiordelcárter,mientrasquelamezclamenosdensayricaenaceitesesitúaenlapartesuperior.Cuandoseproduceelarranqueenuncompresorconexcesoderefrigeranteenelcárter,unamezclaricaenrefrigeranteessuccionadaporlabomba de aceite. El aceite altamente diluido forma mucha espuma y puedehacer que la bomba de aceite pierda su capacidad de bombear, provocandocomoconsecuenciaunalubricacióndeficitaria.

Pérdidadeaceite

Lapérdidadeaceiteprovocaunageneraciónexcesivadecalorydesgasteenlos orificios de las bielas. Algunas de las causas comunes son la excesivaformacióndeespumadel aceite y largosperíodosde funcionamientoen cargamínima.

4.TEMPERATURADEDESCARGAELEVADA

Se produce principalmente cuando se trabaja con un valor elevado delrecalentamiento del gas en la succión del compresor, provocando lacarbonización del aceite lubricante y la consecuente rotura mecánica delcompresor.

Con la viscosidad reducida, el aceite no puede lubricar las partesmóvilesadecuadamente,yestooriginaquelassuperficiesserecalientenexcesivamente,provocando un desgaste intenso y la carbonización del aceite. Un hecho queacompañaelrecalentamientodelcompresoreseldesgastedelpistón.


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Figura2.3Carbonizacióndelplatodeválvulas[30]

Causasdelaelevadatemperaturadedescargadelcompresor

Entre las causas comunes de elevadas temperaturas de descarga delcompresorseencuentranlaaltarelacióndecompresión(bajapresióndesucciónyaltapresióndedescarga),bajacargaderefrigeranteycontroldelacapacidaddelcompresorpordebajodeloslímitesproyectados.

La viscosidad del aceite se minimiza cuando el aceite llega a unatemperatura entre 85°C y 95°C. Cualquier lectura de temperatura del aceitedentrodeesabanda,aumentalasprobabilidadesdequelaspelículasdeaceitese destruyan, resultando un contacto de metal con metal y eventual fallomecánico.

Unaelevadarelacióndecompresióngeneralmenteseatribuyeaproblemascon el condensador, problemas con el evaporador, al inadecuado control delsistema,oaunacombinacióndeesostresproblemas.

5.CONTAMINACIÓNDELSISTEMA

Algunos de los contaminantes más frecuentemente encontrados en lossistemasderefrigeraciónson:humedad,óxidodecobre,suciedad,etc.


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Contaminaciónporhumedad

La presencia de humedad en un sistema frigorífico puede provocar laoxidación y corrosión de partes de la instalación frigorífica así como ladescomposición del refrigerante. En la zona de baja presión puede llegar acongelarse obstruyendo total o parcialmente el asiento de las válvulas deexpansión. En algunos casos podrá formarse hielo alrededor de las paredesinternasdelserpentíndelevaporador,dificultandoelintercambiodecalorentreelrefrigeranteconelambienteaenfriar.

Contaminaciónporsuciedadoporaire

Materialesextraños,talescomorestosdesoldaduraoproductosquímicos,juntoconelaire,producendesequilibriosquímicosqueprovocan larupturadelasmoléculasdeaceite.Esacondiciónpuedeprovocarlaformacióndeácidos.

Losóxidosmásfrecuentespuedenaparecerbajolaformade:

- Óxidoférrico(Fe2O3)

- Óxidoferrosoférrico(Fe3O4)

- Óxidocuproso(Cu2O)

- Óxidocúprico(CuO)

La formación de óxidos en las paredes internas de los tubos se producecuandoelcalor,aplicadoporelsoldador,seproduceenlapresenciadeaire.Laoxidaciónseevitaevacuandoelairedentrodeltuboconungasinerte(nitrógenoseco).

CobreamientooCopperPlating

Las piezas en las que el revestimiento de cobre se encuentra másfrecuentemente son las piezas de tolerancias rígidas que funcionan a altastemperaturas,comoelconjuntodeplatodeválvulasdelcompresor,elcigüeñalylabombadeaceite(Figura2.4).


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Figura2.4Cobreamientodelosengranajesdeunabombadeaceite[30]

Elencobradosedaendosfases.Primeramente,elcobresedisuelveenlossubproductosdeuna reacciónaceite/refrigerante.En la segunda fase,el cobredisueltoesdepositadoen laspartesmetálicas, enuna reacciónelectroquímicasubsiguiente.

6.PROBLEMASELÉCTRICOS

Si el dispositivo de protección del motor INT69 y otras proteccioneseléctricas,talescomo:relédesobrecarga,disyuntormotor,relédefaltadefase,etc., funcionan correctamente, es extremamente difícil que un fallo se deba amedios eléctricos [30]. Algunos de los problemas comunes del compresorrelacionado con la parte eléctrica se originan en la falta de fase, debobinamientosencortocircuito,derecalentamientos,dearrastredelrotorydeproblemasdecomandoeléctrico.

2.3 SISTEMASE INSTRUMENTACIÓNPARALAMEDIDADEVIBRACIONES

2.3.1 Introducción

Antiguamente existían equipos para medida de vibraciones que estabanconstituidosen su totalidadporelementosmecánicos,estos sóloerancapacesde medir vibraciones de gran amplitud y baja frecuencia, actualmente estos


21

equipospresentansólouninteréshistórico[31]yaquesuslimitacionesloshanhechoobsoletosfrentealosmodernosequiposdemedida.Actualmente,todoslos sistemas demedida de vibraciones utilizan captadores que transforman lavibraciónmecánicaenunaseñaleléctrica,fácilmentemanejabledesdeelpuntodevistadeltratamientodeseñales[13].

Cuandosequieremedircualquierparámetro físico, lomejoresconvertirlopreviamenteenunaseñaleléctricaproporcionala lamagnitudamedir,puestoqueel análisisde las señalesasí comosuposterior tratamiento resulta rápido,sencilloydegranprecisión.

Eldispositivoutilizadoparalatransformacióndelosparámetrosmecánicosen señales eléctricas reciben el nombre de captadores o transductores. Elmecanismo de funcionamiento se basa en la capacidad de transformar unamagnitud,enotramásmanejableyapropiadaparaelposterioranálisis.

También puede darse el caso de que la señal suministrada necesite unacierta amplificación o acondicionamiento. Ambos cometidos son cubiertos porlosdenominadosacondicionadoresdeseñales(Figura2.5).

Figura2.5Cadenademedidadevibraciones(CortesíadeBrüel&Kjӕr)

2.3.2 Clasificacióndelostransductores

Los transductores se clasifican atendiendo amúltiples consideraciones, noobstantesedestacanlassiguientescomolasmásfrecuentes[32]:

• Dependiendodelaalimentación:


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o Activos:Aquellosquenonecesitandeningunafuenteexternadealimentación.

o Pasivos: Aquellos que por el contrario, si necesitan una fuenteexternadealimentaciónparasufuncionamiento.

• Atendiendoalamagnitudamedir:

o Acelerómetros:Captadorquemidelaaceleracióny latransformaenunaseñaleléctrica.

o Captadoresdevelocidad:Mideelparámetro físicovelocidady loconvierteenunaseñaleléctrica.

o Captadores de desplazamiento: Transforma en señal eléctrica eldesplazamientomedido.

o Captadoresdefuerza:Evalúalafuerzaqueseejerceylaconvierteenunaseñaleléctricaproporcional.

• Dependiendodelcarácterabsolutoorelativodelamagnitudmedida:

o AbsolutosoSísmicos:Estoscaptadoresmidenelvalorabsolutodelparámetro físico (velocidad, aceleración o desplazamientovibratorio).

o Relativos: Los captadores de medida relativos, evalúan lamagnitudtomandootracomoreferencia(porejemplo,mediríanvelocidaddeunpuntoconrespectoaotro).

2.3.3 Transductoresparalamedidadevibraciones

El acelerómetro piezoeléctrico, es el transductor más utilizado en laactualidad para la medida de vibraciones [18]. En conjunto presenta mejorescaracterísticas que el resto de captadores, puesto que presenta gamas defrecuenciaydinámicamuyextensas,aligualqueunabuenalinealidadentodasellas. Además tiene la ventaja de ser robusto y fiable, permaneciendo suscaracterísticasestablesdurantelargosperíodosdetiempo.Losacelerómetrosnotienen la necesidad de utilizar fuentes externas de alimentación, ya que loscristales piezoeléctricos actúan como generadores de carga. Finalmente, es dedestacarlaproporcionalidadentrelamagnitudfísicaamedir(ennuestrocasola


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aceleración) y la señal eléctrica que emite, la cual mediante integración nospermiteobtenerlavelocidadyeldesplazamiento.

Unacelerómetropiezoeléctricoesuntransductor linealsísmico,Figura2.6,queutilizaunelementopiezoeléctrico,detalmaneraqueseproduceunacargaeléctricaqueesproporcionalalaaceleraciónaplicada[32,33].

Figura2.6(a)Esquemadeunacelerómetropiezoeléctricosísmicolineal.(b)Unamasamdescansasobreelelementopiezoeléctrico,queactúacomomuelleconunaconstantek.Laamortiguaciónenelsistemaposeeuncoeficientec. (c)Elmarcoesaceleradohaciaarriba, produciendo un desplazamiento u del mismo, moviendo la masa desde suposicióninicialenunamagnitudxycomprimiendoelmuelleenunamagnitudδ[32]

Una masa se apoya sobre un muelle lineal que está unido a la caja delinstrumento.Elcristalpiezoeléctricoqueproducelacargaactúacomomuelle.Enla Figura 2.6c, la caja recibe una aceleración hacia arriba al desplazarse uproduciendoportantounacompresiónenelmuelleigualaδ.Eldesplazamientode lamasaconrespectoa lacajadependede laaceleraciónaplicadaaésta, larigidezdelmuelle,lamasaylaamortiguaciónviscosaentrelamasaylacaja.

La fuerza de inercia de la masa produce una tensión mecánica sobre elelemento piezoeléctrico, que produce una carga eléctrica proporcional a latensióny,portanto,proporcionalalaaceleración.Silaconstantedieléctricadelmaterial piezoeléctrico no cambia con la carga eléctrica, el voltaje generadotambiénesproporcionalalaaceleración.


24

LaFigura2.7muestraunacurva típicade respuestaen frecuenciaparaunacelerómetropiezoeléctrico. Se representa la salidaeléctricaenmilivoltiosporaceleracióngenfuncióndelafrecuencia.Lafrecuenciaderesonanciasedenotamediantefn.Sielacelerómetroestámontadosobreelequipoqueseexamina,ellímite superior del rangode frecuenciaútil suele tomarse como fn/3,paraunadesviacióndel12%(1dB)delvalormedioderespuesta.Paraunadesviacióndel6%(0,5dB)delvalormedio,ellímitesuperiordefrecuenciasueletomarsecomofn/5.Eltipodemontajepuedetenerunefectosignificativosobreelvalordelafn.

Figura2.7Curvaderespuestadeunacelerómetropiezoeléctrico[32]

El descenso en la respuesta para frecuencias bajas dependefundamentalmente de las características del preamplificador que sigue alacelerómetro. El límite inferior de frecuencia también suele expresarse entérminosdeladesviaciónapartirdelvalormediodelarespuestasobrelaparteplanade lacurvaderespuesta,siendo la frecuenciaa lacual larespuestaesel12%(1dB)o6%(0,5dB)inferioralvalormedio.


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2.3.4 Acelerómetrostípicos

Los acelerómetros piezoeléctricos presentan una variedad deconfiguraciones de elementos sísmicos. La mayoría están construidos conmaterialespiezoeléctricoscerámicospolicristalinos[34].

Figura2.8Clasificacióndeacelerómetrospiezoeléctricos(CortesíaBrüel&Kjӕr)

Dentro de la clasificación de la Figura 2.8 hay dos tipos que empleandiferentes formasde funcionamiento son:Acelerómetrosde compresióny losdetiposhear[32].

Acelerómetrodeltipocompresión.Ensuformamássimpleconsisteenundiscopiezoeléctricoyunamasacolocadasobreunmarcoocaja.Elmovimientohace que fuerzas compresoras (o extensoras) actúen sobre el elementopiezoeléctrico,produciendounasalidaeléctricaproporcionala ladirección.Losacelerómetros de este tipo suelen utilizar cuarzo, turmalina o cerámicasferroeléctricascomomaterialsensor.Susensibilidadestácomprendidaentre2y


26

100 pC/g, una frecuencia de resonancia de 30 kHz y una masa total de 30gramos.

Acelerómetro del tipo Shear. Este tipo de acelerómetro emplea unelementopiezoeléctricoen forma cilíndrica ajustadoalrededordeunpostedemontaje central; un anillo de carga está unido a la superficie exterior delelementopiezoeléctrico.Elcilindroestáfabricadoencerámicayestápolarizadoentodasulongitud;elvoltajedesalidadelacelerómetrosetomadesusparedesinternasyexternas. Estediseño suele conocerse comoacelerómetroanulardetipoShearaxialmentepolarizado.

OtrotipodeacelerómetrodeltipoShearusaunaplacaplanadeelementossensores previamente cargadas (Figura 2.8 – Delta Shear). Este tipo de diseñotiene poca respuesta cruzada, excelentes características de temperatura einterferenciasdesalidadespreciablesporflexióndelabase.Susensibilidadestácomprendida entre 10 y 50 pC/g; rango de aceleración entre 1 y 500 g;frecuenciaderesonanciade25kHz; rangode frecuenciaútilde3a5.000Hzyunarespuestatransversaldel3%.

2.3.5 Característicasdelosacelerómetros

Los aspectosmás relevantes que caracterizan a los acelerómetros son lossiguientes:

Sensibilidad:Eslarelaciónentrelacargageneradaporelacelerómetroporcada unidad de aceleración a que el mismo está sometido, su valor sueleexpresarseenmV/g,mV/m.s-2opC/m.s-2.Enprincipioloquenosinteresaesunelevado nivel de salida, no obstante habrá que llegar a una solución decompromiso,puestoquealtassensibilidadesimplicanelementosactivosgrandesyenconsecuenciaconjuntospesadoygrandes[13].

Masa: La masa de un acelerómetro tiene gran importancia al medirelementos excesivamente livianos, ya que puede alterar enormemente lascaracterísticasdinámicasdelelementoenestudio.Comoreglageneralnodeberáser superior a 1/10 de lamasa dinámica de la pieza en que semonte, con elobjetivodeevitarlasalteracionesenlamedida.

Gama dinámica: Cuando semiden niveles excesivamente altos o bajos defrecuenciassedeberátenerencuentalagamadinámicadelacelerómetro.


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Figura2.9Gamadinámicadeacelerómetrospiezoeléctricos(CortesíadeBrüel&Kjӕr)

El límite inferior que se aprecia en la Figura 2.9 no depende delacelerómetro propiamente dicho sino del ruido eléctrico de los cables y delcircuito del propio amplificador. Este límite puede alcanzar valores hasta de0,0001m/s2.

Encambioellímitesuperiorestádeterminadoporlaresistenciaestructuraldelacelerómetro.Unacelerómetrodeaplicacióngeneraleslinealhasta50.000ó100.000m/s2,queeselordendemagnituddeloschoquesmecánicos.Podemosllegar hasta los 1.000 km/s2 cuando los acelerómetros se diseñan para medirchoques mecánicos. Los sistemas mecánicos tienden a tener mucha de suenergía de vibración en la gamade frecuencia relativamente estrecha de 10 a1.000Hz,perolasmedidassepuedenextenderhastalos10kHz.

El límite superior lomarca la frecuenciade resonanciadel conjuntomasa-resorte del propio acelerómetro. Se puede tomar como regla general el límitesuperioren1/3delafrecuenciaderesonancia,lascomponentesdelavibraciónmedidosendicholímitepresentaránunerrormáximodel10%.

En los pequeños acelerómetros (aquellos que poseen una pequeña masasísmica) su frecuencia de resonancia puede ser de hasta 180 kHz, pero los demayor tamaño su frecuencia de resonancia puede alcanzar valores próximos alos13kHz.


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2.3.6 Eleccióndelacelerómetroempleadoenlasmediciones

Tal y como indica la ISO 2954:2012 [35] en su apartado 5 (RequisitosGenerales),losinstrumentosdelacadenademedidadelavibraciónmásusualesson los siguientes: Transductor de vibraciones, analizador que contenga unamplificador de la señal, filtros de respuesta en frecuencia y un sistema degrabaciónasícomounsistemadeabastecimientodeenergía.

Esta misma norma establece una serie de requisitos que debe cumplir eltransductor que se emplea en lasmedidas de vibraciones. Algunos de losmásimportantessecitanacontinuación:

ü El transductor será de tipo sísmico. Se deberámedir las vibraciones deinterés en comparación con un sistema de referencia estáticodeterminado por el modo de funcionamiento del transductor. Suresultadonodependedesuorientaciónconrespectoalagravedad.

ü Lamasaefectivadeltransductordevibracióndeberáindicarsedemaneravisibleenelinstrumentodemedida.Paraadaptarseaunaampliagamadeaplicaciones,lamasasereduciráalvalormásbajoposible.

ü Laamplitudyrangodefrecuenciadeltransductorserálosuficientementeanchocomoparaevitarsuperarelerrordemedición.

ü Eltransductordeberásoportarlavibraciónentodaslasdireccionesdealmenoseltripledelavibraciónmáximadeentradaespecificada.

ü El cable que conecta el transductor de vibraciones con el analizar serácomomínimodeunmetro.

2.4 TÉCNICASDEMEDIDADELAVIBRACIÓN

2.4.1 Planificacióndelamedición

Una de las tareas básicas e imprescindibles a la hora llevar a cabo lasmedidasdelavibración,esllevaracabounaplanificacióndetodaslaspruebas.Estopermitiráahorrarmuchotiempoenlarealizacióndelasmedidasyaseguraque seobtiene la informaciónmásútil de losdatosexaminados. En general el


29

primerpasode laplanificaciónesdefinirquésevaamedir,esdecir,objetivosdelensayoincluyendoprecisiónyfiabilidad.Elsegundopasoesdefiniraquellosfactoresnorelacionadosconelequipamientoqueinfluyensobrelaseleccióndelequipoylastécnicasdemedición.Entreestossepuededestacarelcoste,tiempoparalasmedidas,técnicasparaelanálisis,etc.[32]

Lamejormaneraderesumirlosfactoresmásimportantesenlaseleccióndelequipamientoylastécnicasparalamedicióndelavibraciónestrasladarlosaunatabla(Tabla2.1)comolaqueseincluyeacontinuación:

Tabla2.1Factoresmásimportantesaconsiderarenlaseleccióndelequipamientoylastécnicasdemedicióndelavibración

Parámetroamedir

Aceleración

Velocidad

Desplazamiento

Tensión

Fuerza

Impedancia

Característicasdelmovimientoamedir

RangodeFrecuencia

RangodeAmplitud

Fase

Direccióndelmovimiento

Característicastransitorias

Duración

Condicionesambientales

Temperatura

Humedad

Presiónambiental

Ruidoacústico

Camposmagnéticosydefrecuenciaderadio

Mediocorrosivooabrasivo

Radiaciónnuclear

Aceleraciónsostenida

Característicasdeltransductor

Característicaseléctricas(sensibilidad,resolución,rangodinámico,respuestaenfrecuencia,respuestadefase,sensibilidadenelcrucedeejes,linealidad


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delaamplitud)

Característicasfísicas(tamañoypeso)

Potenciaauxiliarrequerida

Amplificador

MontajedeltransductoryLocalizacióndelosmontajes

Efectodelmontajesobrelascaracterísticasdeltransductor

Efectodelmontajesobrelascaracterísticasvibratoriasdeelementobajoexamen

Númerodelocalizacionesdemedición

Espaciodisponibleparalamedición

Accesibilidadalpuntodemedida

Posibilidaddedesalineamientodelmontajerespectoaladireccióndemedidadeseada

Componentesdelsistema(Preamplificadores,Acondicionadoresdeseñal,filtrosyanalizadores)

Característicaseléctricas(impedanciadeentradaysalidaporejemplo)

Disponibilidaddepotencia

Interferenciaderuido(blindaje,evitarbuclesdetomadetierra)

Númerodecanalesrequeridosparamedición

Métododetransmisióndedatos

Cablecoaxial–Telemetría–Fibraóptica

Equipodegrabación

Capacidaddetiempodegrabación

Característicaseléctricas(relaciónseñalyruido)

Portatibilidad

Redundanciaparaminimizarelriesgodepérdidadeinformacióncrucial

Calibracióndecampo


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Transductores Sistemademediciónglobal

Análisisdedatos

Manualoautomática Tipodepresentaciónrequerida

2.4.2 Seleccióndelparámetroamedir

Enocasioneslaseleccióndelparámetroamedirestápredeterminadaporlasnormativasaplicablesalefecto.Cuandoestenoseaelcasoresultaútilaplicarlasconsideraciones incluidasen laTabla2.2.Deacuerdocondicha tabla,elmejorparámetro demovimiento para ser utilizado es aquel cuyo espectro estémáspróximoaseruniforme,esdecir,elespectromásplano.Estoesimportantepordosrazones:sielespectroesrelativamenteplano(1)unaumentoencualquierfrecuencia tiene aproximadamente la misma probabilidad de influir sobre losnivelesglobalesdevibracióny(2)seplanteandemandasmínimassobreelrangodinámicoqueseprecisaenelequipamientoquesiguealtransductor.

Tabla2.2Guíaparalaseleccióndelparámetrodemedición[15]

Medicióndeaceleración

Utilizadaa frecuenciasaltasen lasque lasmedidasdeaceleraciónaportan lassalidasdeseñalmásaltas

Utilizadadondelasfuerzas,cargasytensioneshandeseranalizadasallídondelafuerzaesproporcionalalaaceleración

Utilizadacuandoesprecisountransductordepequeñotamañoypocamasa

Medicióndevelocidad

Utilizadacuandolasmedidasdevibraciónhandecorrelacionarseconmedidasacústicas, ya que la presión sonora es proporcional a la velocidad de lasuperficievibratoria

Utilizadaafrecuencias intermediasenquelasmedidasdedesplazamientodanlugarasalidasdeltransductorquepuedenserdemasiadopequeñasparapodermedirseconvenientemente


32

Utilizada ampliamente en medidas sobre maquinaria en que el espectro develocidad suele ser más uniforme que los espectros de desplazamiento oaceleración

Medicióndedesplazamiento

Utilizada cuando la amplitud del desplazamiento es particularmenteimportante;porejemplodondelaspartesvibratoriasnodebentocarseodondeel desplazamiento por encima de un valor determinado da como resultadodañosenelequipamiento

Utilizadadondelamagnituddeldesplazamientopuedeserunaindicacióndelastensionesaanalizar

Utilizadaa frecuenciasbajas,donde lasalidade losacelerómetroso tomasdevelocidadpuedenserdemasiadopequeñascomopararesultarútiles

Utilizada para medir el movimiento relativo entre cuerpos rotatorios y laestructuradeunamáquina

Medicióndetensión

Utilizada donde una parte del objeto que se está examinando sufre unavariaciónapreciablebajo la tensiónproducidapor la vibración,habitualmentelimitadaafrecuenciasbajas

Teniendo en cuenta estas consideraciones se selecciona la medida deaceleracióncomoparámetrodemedida.

2.4.3 Montajedelacelerómetrosobrelasuperficiedemedida

Alahoraderealizarmedidasdelavibración,hayquehacerespecialhincapiéen los distintos métodos de montaje del transductor sobre la superficie deensayo [36]. Elmétodo de fijación afecta a la frecuencia de resonancia y, portanto, al rango de frecuencia útil del transductor. Por ello es importanteasegurarsedequelarespuestaenfrecuenciaeslaadecuadaantesdeiniciarlasmedidas[36].

Elacelerómetrodeberásercolocadosiempredeformaque ladireccióndemedidacoincidaconladesumáximasensibilidad.Esobvio,quetambiénexiste


33

una vibración transversal, pero esta no suele tener importancia puesto que lasensibilidad transversal de estos captadores es inferior al 4 % de la principal(Figura2.10).

Figura2.10Sensibilidadtransversaldelosacelerómetrospiezoeléctricos(CortesíadeBrüel&Kjӕr)

Lasituacióndelacelerómetrodependerádeloquesequieramedirconellos,así,enelcasodemaquinariarotativa,habráocasionesenlasquenosinteresarácolocarloconladirecciónaxialyotrasenladirecciónradial,oinclusopuedeserque sea conveniente medir en las dos direcciones para obtener mayorinformacióntalycomodemuestralaFigura2.11.Cuandosemidaenladirecciónradial,deberemoscolocareltransductorenelpuntodondelarigidezseamenorcon el fin de que el desplazamiento sea máximo, aunque realmente no esnecesario,puesloscaptadoresactualesposeenunagransensibilidad.


34

Figura2.11Eleccióndelaposicióndemontaje[24]

Lasujecióndelacelerómetropuederealizarsemediantedistintosmétodosdependiendo de las exigencias de la medida así como de las limitacionesestructurales de lamáquina o elemento a evaluar (Figura 2.12). Alguna de lastécnicasmásempleadasenlaactualidadson:

1.-Sujeciónmediantevástagoroscado:eslaformamásprecisadesujecióndel captador al punto de medida, ya que con este montaje se obtiene unafrecuencia de resonancia superior y por tantounamayor gamade frecuenciasútiles que el resto de métodos [37]. Para emplear este método es precisoagujerear lasuperficiedeensayomedianteunaroscanormalizada10-32segúnindicalaISO1101:2012[38].Lafrecuenciaderesonanciaqueseobtieneconestemétododefijaciónseaproximaalos30kHz.

2.- Sujeción mediante cera de abeja: En este tipo de sujeción influyesobremanera el espesor de la capa de cera ya que cuanto mayor es más sereducirálafrecuenciaderesonancia.Lafrecuenciaderesonanciasemantieneentornoalos29kHz.Lasdesventajasincluyenlalimitacióndetemperaturadebidoal punto relativamente bajo en que se derrite la cera y la baja estabilidad delmontaje a largo plazo [32]. La cera de abeja es la que menor atenuación deenergíavibratoriapresentacuantomásalejadaestá la fuentedevibracióncon


35

respecto al transductor. Sin embargo, cuanto más cerca de la fuente seencuentraeltransductor,menoreselgradodetransmisión[36].

3.- Sujeción mediante adhesivos: Este tipo de montaje suele emplearpegatinadedoblecara.Estatécnicaeslamásfácilyrápidadeaplicar.Tienelaventaja de aportar aislamiento eléctrico entre el transductor y la superficie aexamen.Larespuestaenfrecuenciaesbuenasiemprequeserespetenaspectosclaves como la limpieza de la superficie de ensayo y el rango limitado detemperaturas.Lafrecuenciaderesonanciaparaunadhesivo“suave”puedeestaren torno a los 20 kHz. La pegatina de doble cara tiene un comportamientoinverso a la cera de abeja ya que, cuanto más próximo se encuentre elacelerómetro,menorvaaserlaatenuacióndeenergía[36].

4.- Sujeción mediante ligantes: Cuando no es posible utilizar montajesmediantevástagoroscado,eltransductorpuedeunirsealasuperficiemedianteuna capa fina de ligante (silicona fría, cianoacrilato y epoxi). El método demontaje con ligante de un transductor aporta una respuesta en frecuenciaexcelente, para tres condiciones: (1) acelerómetro cementado directamentesobre la superficie de ensayo, (2) acelerómetro cementado con un adhesivo“suave”y(3)acelerómetroconuntacoqueseconectaalasuperficiemedianteligante fuerte. Los ligantesde cianoacrilato se secanmuchomás rápidoqueelepoxiyportantoseprecisamenostiempoparamontaruntransductor.Puedenretirarse fácilmente a base de disolventes tipo acetona. Retirar el epoxi de lasuperficie de examen y del transductor puede llevar demasiado tiempo yprovocardañosalintentarretirarlo.

5.- Sujeciónmagnética:Cuando la superficie a ensayar es ferromagnética,planay libredesuciedadsepuedeemplearun imánpermanenteconectadoaltransductor. Es útil a la hora de medir niveles bajos de aceleración y paradeterminar la localización adecuada de un acelerómetro (prospección) demanera permanente en unamáquina rotativa. Por contrapartida estemétodoreduceconsiderablementelafrecuenciaderesonanciadelacelerómetroaunos7kHz,yporello,nopodránserutilizadosennivelesdefrecuenciacercanosalos2kHz con el objetivo de asegurar medidas con total precisión. La fuerza desujeción del imán es suficiente para niveles de entre 1.000 y 2.000 m/s2,dependiendodeltamañodelacelerómetro.


36

Figura2.12Métodosdefijacióndeacelerómetros[24]

6.- Sujeción mediante sonda manual: A los métodos antes mencionadoshabrá que agregar la utilización de una sonda manual, si bien, esteprocedimiento ha de utilizarse únicamente para exploraciones rápidas ya quepuedeproducirconsiderableserroresporsubajarigidezglobal.Lafrecuenciaderesonancia del acelerómetro disminuye enormemente, fijándose en 2 kHz. Enestemontajesehacenecesarioutilizarunfiltropasobajoparareducir lagamamedia a 1 kHz. Esta técnica carece totalmente de interés debido a la escasaprecisiónqueofrece.Suutilidadradicaenlabúsquedadepuntosnodalessobreunasuperficievibratoria.

2.5 ANÁLISISFRECUENCIALDELASMEDIDASVIBRATORIAS

2.5.1 Aspectosaconsiderar

Tal y como se ha mencionado con anterioridad, las vibraciones suelenconstar,enlapráctica,demuchasfrecuenciassimultáneas.Estohacepensarqueporsimpleexamendesurelaciónamplitud-tiempo,nosepuedesabercuántoscomponenteshayydequéfrecuenciassecomponen.Apesardequeelvalordevibración eficaz (RMS) está relacionado con la capacidad destructora de lavibración,yaquenosaportaunvalorde laamplituddirectamente relacionado


37

con la energía, es insuficiente en lamayoría de los casos. Ha sido preciso portanto acudir al análisis de las señales registradas para obtener la informaciónrequerida.

Dado que un elemento que gira a cierta velocidad emite vibraciones a lafrecuencia de giro y sus múltiplos, y que la mayor parte de los mecanismostienenpiezasquegiranovibranafrecuenciasdeduciblesdelrégimendemarcha,elanálisisaplicadoconmayoréxitoaseñalesvibroacústicashavenidosiendoelfrecuencial[39].

Elanálisistemporaldenominadocepstrum,queeselresultadodecalcularlatransformadadeFourierdelespectrodelaseñalestudiadaenescalalogarítmica(dB),detectacon facilidad lasperiodicidadesdeunespectroyhasidoaplicadosobre todo al análisis de vibraciones de defectos en rodamientos y cajas deengranajes[40,41].

El problema que se plantea es la gran riqueza de información registradacuando se decidemedir las vibracionesmecánicas con armónicos de amplitudsobresaliente,loquedificultalaadecuadaidentificacióndecadaunodeellosylaconsiguienteatribuciónaunelementoconcretodelequiposometidoaestudio.

Enelcasodemáquinasreciprocanteselanálisisdelosresultadosobtenidosresulta más complejo que en las máquinas rotativas ya que el movimientoalternativodelconjuntonosofreceunabanicomásampliodefuentesvibratoriasdifícilesdeidentificar.

Dossonlosmétodosprincipalesusadosenlosanalizadoresfrecuencialesdeseñales: los filtros digitales y la Transformada Rápida de Fourier (FFT, FastFourierTransform)[42].

Antes de describir sus características, parece interesante definir lo que seconocecomoanálisisfrecuencialentiemporeal,ycuandoestacaracterísticaesnosolodeseablesinonecesaria.Sedenominadeesemodoalanálisisdetodaslasseñalesentodaslasbandasdefrecuenciadurantetodoeltiempodemedida.Paraelloesevidentementenecesarioqueelprocesodecálculoseaalmenostanrápidocomolatomadedatos;cuandolosdatosseprocesanenbloques(comoenelprocedimientoFFT)esnecesariotambiénalmacenarlosnuevosdatosquelleganaltiempoquetienelugarelprocesodecálculo,afindenoperderningunodelosdatosregistrados.


38

Elanálisisentiemporealnoesimprescindible,porejemplo:

-para transitorios en que la totalidad de la señal cabe en lamemoria delanalizador;solamenteelalmacenamientoenmemoriahadeserentiemporeal,yelanálisispuedeserllevadoacaboposteriormente.

-para señales estacionarias, definidas como aquellas cuyas propiedadesestadísticas no cambian con el tiempo, siendo por lo tanto una muestraigualmente válida para cualquiera de sus partes de longitud determinada; elloofrece representaciones válidas de la señal emitida tomando un porcentajesolamentedeltiempototal,ysinacudiramétodosdeprocesadoespecialmenterápidos.

-cuandolaseñalcambialentamente:tomasdedatosaintervalosregularesconsuanálisis.Permitendescribirdemodoadecuadolaseñalnoestacionaria.

En cambioes imprescindible el análisis en tiempo real cuando se estudianseñales que no cumplen las condiciones anteriores, por ejemplo en lasmediciones de las vibraciones en edificios ocasionadas por sus instalaciones,vibraciónocasionadaporinfraestructurasviariasy/oaeroportuarias,etc.Elcasode la señal vibratoria emitida por un equipo reciprocante como puede ser uncompresor frigorífico alternativo, claramente encaja en el segundo, o en todocaso en el tercero de los supuestos de no imprescindibilidad de tiempo realanteriormentemencionados.

Sinembargo,precisamenteelhechodequenoseconoceapriorisilaseñales muy variable, ni cuál es en su caso la velocidad de variación, ni comoafectarán las variaciones a la interpretación de las distintas frecuencias hallevadoapreferirparaestainvestigación,unanalizadorentiemporeal,aunquese prevé que en la aplicación práctica de los resultados hallados no seríanecesariolautilizacióndeestosanalizadorescuandosetratedegrandesequiposde funcionamiento prácticamente estacionario, como puede ocurrir en lamayoríadelagranmaquinariaindustrial.

AnálisismedianteFFT[43]

La señal registrada, sea del tipo que sea, es una función temporal enprincipio continua. La transformación integral sería aquella que transformaradicha señal temporal extendida a todo el tiempo (-∞<t<+∞) en un espectro


39

frecuencial continuo extendido también a todas las frecuencias (-∞<f<+∞);puede decirse que esta sería la transformación ideal, aplicable en principio atodos los casos. Sin embargo, puesto que requiere el conocimiento de toda laseñal temporal, sólo es prácticamente aplicable a señales transitorias cortas,mientrasquelasseñalescontinuashabrándesertratadasporotrosmétodos.

LasseriesdeFourier,cuyaexpresiónmásconocidaes

x t( ) = -∞

+∞

∑ KX ⋅ i2π 0kf te con KX = 1T

-T2

+T2

∫ x t( ) ⋅ -i2π 0kf te dt (1)

sonaplicablesaseñalestemporalesperiódicas,deperíodofundamentalT=

1/f0.Porlotantoseregistralaseñalduranteciertotiempo,ysesuponequeseráperiódica;lasubsiguienteaplicacióndeunatransformacióndeFourierllevaríalaseñaltemporalcontinuaregistradaduranteeltiempolimitadoaunespectrodefrecuenciasdiscreto,mostrandotodoslosarmónicos.Elcálculoexactorequeriríainfinitasoperaciones,altratarsedeunespectrodeentradacontinuo.

La señal temporal continua puede muestrearse aplicándole una ciertafrecuenciademuestrofm,conloquelaseñalcontinuaseconvierteenunaseñaltemporal discreta. Si a ésta última se le aplica la transformaciónde Fourier seconvierteenunespectrodefrecuenciasperiódico,mostrandolasimetríabásicade latransformacióndeFourierentretiempoy frecuencia;espreciso limitar labandadeentradaa±½fmparaevitarambigüedadesenelcontenidofrecuencialdelaseñalcontinua,obienpasarlaseñalporunfiltroantialiasing.

Silaseñaltemporalesaltiempoperiódicaydiscreta,selepuedeaplicarlaTransformadaDiscretadeFourier,simbolizadaabreviadamenteporDFT[44],enla que la integral para la obtención del término k-ésimo se sustituye por unsumatorioextendidoaldominiofinitoT,esdecir,

(2)

y de ella se obtiene igualmente la transformada inversa IDFT, que sería lafuncióntemporalorigen,pormediode

KX = 1N

r=0

N-1

∑ rx . -i2πkrNe ; k = 0,1,2,..., N -1


40

(3)

Debido a la periodicidad en los dominios temporal y frecuencial, latransformación involucra un número finito demuestras, por lo que puede sercalculadadirectamentepormediosdigitales.Dadalasimetríadeambasseñales,una señal temporaldescritaporNmuestras será transformadaenunespectrofrecuencial también de Nmuestras; sin embargo, la simetría del espectro defrecuencias(quesiempreexisteparaseñalesentiemporeal),reducelosvaloresindependientesdeéstasúltimasaN/2,númeroqueaúnsereduceporelfiltradoa menos de fm/2; es, por ejemplo, típico que una señal temporal de 1024muestrasdélugaralcálculodeunespectrofrecuencialde400líneas.

Lalimitacióndelaseñalenelespectrotemporalproduceefectoslateralesyde"púasdepeine",exceptoparaseñalesmuypuras,efectosqueseevitancasicompletamenteporelusodelaventanaHanning.Dichaventanasetratadeunafunción matemática usada frecuentemente en el análisis y procesamiento deseñales con la intención de evitar discontinuidades al principio y final de losbloquesanalizados.Suusoesdepropósitogeneralenseñalescontinuas[45].

Los analizadores por el método FFT son de tiempo real, dentro de unamplituddegamafrecuenciallimitada.

La división del espectro frecuencial que proporciona el algoritmo FFT,derivadopráctico del análisis de Fourier, es enbandas de ancho constante. Esposible, en principio, convertir el resultado del análisis FFT en bandas deporcentajedeanchuraconstante,esdecir,pasarloaunaescalade frecuenciaslogarítmicas, pero ello trae consigo una serie de restricciones tales que en lapráctica yano se tratarádeanálisis en tiempo real, y además seponderan lasdistintasbandas,deformandolacurvaalsumarmáslíneasdefrecuenciaparaelextremo de frecuencias más elevadas. En definitiva, el análisis FFT es másadecuadoparaespectros frecuencialesdeanchuradebandaconstante y,portanto,paraanálisisenbandaestrecha,que resaltan,porejemplo, laexistenciade armónicos en el espacio frecuencial, y la de fenómenos periódicos en eldominio temporal. Los analizadores actuales tienen además la posibilidad demantener enmemoria la FFT calculada y la señal temporal original, y efectuar

Xr = k=0

N-1

∑ kX . i2πkr

Ne ; r = 0,1,2,..., N -1


41

unaampliacióndeunazonadelespectrofrecuencial,loquepermiteunanálisismáspreciso.

AnálisismedianteFiltrosDigitales[46]

Unfiltrodigitalesunprocesadordigitalquerecibeunasecuenciadevaloresdigitalescomoentrada(porejemplomuestrasdeunaseñaltemporalcontinua),lleva a cabo una operación digital (que incluyen un número limitado de lospreviosvaloresdesalida)encadavalordeentrada,yproduceunamuestradesalidaporcadaunadelasmuestrasdeentrada.Lasucesióncontinuadevaloresdesalidaestará,generalmente, filtradarespectode losvaloresdeentrada,y laoperación de filtrado puede ser diseñada para que sea equivalente avirtualmente cualquier filtrado analógico de la señal analógica continuaequivalente.

Lascaracterísticasde los filtros, comoel tipo (paso-bajo,paso-altoopaso-banda) y la clase, estándeterminadas por los coeficientes del filtro. Por variasrazones los filtros digitales son más apropiados para análisis en bandas deporcentaje de anchura constante, como la escala logarítmica de frecuencias.Unabateríadefiltrosrecibeunaserieininterrumpidadevaloresmuestreadosenel tiempo de la variablemedida y produce, también demodo ininterrumpido,unaseriedevaloresdelcampofrecuencial;seanalizatodalaseñaldurantetodoeltiempo,loqueesefectivamenteunanálisisentiemporeal.

2.5.2 Eleccióndelmétododeanálisis

Demodogeneral,elanálisismedianteFFTdamejorresultadoparaescalaslinealesyelfiltradodigitalparaescalaslogarítmicas;elprimerosóloesaplicablea una anchura de campo de frecuencias limitado, mientras que el segundopermiteanalizarunaanchuradecampoprácticamenteilimitada,peroconmenorresoluciónsegúnvayacreciendolafrecuencia.

ElmétodoFFTesengeneralpreferiblecuandosedeseadetectarconmayorfacilidad componentes frecuenciales igualmente espaciados, como armónicos,bandaslateraleseinterarmónicos.Sueleadmitirsequeeldiagnósticoesmásfácilsi el espectro está presentado con escala lineal de frecuencias en bandas deanchuraconstante.


42

Elmétodode filtradodigitalespreferibleparamedicionesenque la señalemitidavaríe con rapidez, en señales continuasque contienencortos impulsosquepodríanperderseporunmétododeanálisisnoentiemporeal:unejemplotípico son las señales de vibración y sonido demáquinas alternativasde bajavelocidad como los motores Diesel y las bombas oleohidráulicas [15]; entransitoriosdemayorduraciónquelalongitudderegistrodelanalizadorFFTquepudieraserusadoalternativamente.

Existenaplicacionesenqueesdudosalaelección:

-usodeunanalizadorde tiempo realparamantenimientopredictivo [47];para detectar las averías parece preferible disponer del amplio campo defrecuencias que conlleva el filtrado digital; en cambio el diagnóstico se facilitacon el análisis en escala lineal de una banda de frecuencias relativamenteestrecha.

-cuandoelanálisis se llevaa caboconelpropósitode reducir lavibracióngeneradaporelequipoesnecesarionormalmenterealizarprimeramenteanálisisporterciosodoceavosdeoctava,perolaidentificacióndelafuenteesmásfácilconescalalineal.

-elmonitorizadocontinuodelespectrodefrecuenciasdeciertonúmerodemáquinas conjuntamente da preferencia al filtrado digital, porque su mayorrapidez permite un mayor número de canales controlados por el mismoinstrumento;encambio,unavezdetectadoun fallo,parecemejordisponerdeanálisisenanchuradebandaconstanteparadiagnosticarlaavería.

-el control de calidad por monitorizado de espectros es un problemasemejante; además no existe en principio mas que un número limitado dedefectosposibles, loqueharía suficienteel controlarunagamade frecuenciaslimitada,conloqueeltipoFFTparecemejorelección;porotroladolaseñalseránormalmenteestacionaria,conloquesoloesnecesarioasegurarlarepetibilidad,yelfiltradodigitalproduceresultadosconmayorrapidez,loquepuederesultarmásconvenientesielnúmerodeequipos/piezasacomprobaresgrande.

2.5.3 Eleccióndelanalizadordevibraciones

Elexamende losequiposdemedidade losquedisponeel LaboratoriodeAcústica Aplicada de la Universidad de León ha permitido comprobar que el


43

analizador Svan948 de la empresa Svantek, cumple con los requisitospropuestos.Dichoanalizadorpermite:

• el análisis de la señal en tiempo real mediante el uso de cuatrocanales.Loscanales1(ejeX),2(ejeY)y3(ejeZ)estándestinadosalasmedidasvibratoriasmientrasqueelcuartocanalseempleaparamedidas acústicas. El dispositivo es completamente digital conprecisiónTipo I. Los cuatro canales son totalmente independientesentre sí, de tal forma que pueden funcionar en paralelo conconfiguraciones,filtrosytransductoresdiferentes.

• analizar la señalmedianteunprocesadordeseñaldigital integradopudiendorealizaranálisismediante filtradodigitalen1/1octavasy1/3deoctavasensuscuatrocanalesasícomoanálisisFFT.

• suusoenelcampodelamonitorizacióndelestadodelamaquinariadebidoasudiseñoespecialmenterobusto.

Por todo lo anterior e independientemente del método a elegir (filtradodigitalyFFT),todas lasmedidassehanregistradoytratadoconelmencionadoanalizador.

3

DISEÑODE

EXPERIMENTOS

Estecapítuloexponeenprimer lugar larelaciónde lassalasdemáquinasylascaracterísticasdelosCFSAobjetosdemedición.Ademásplantealaseleccióndelatécnicademedidadecompresoresmedianteeldiseñodeunametodologíaaplicadaalamedidadevibraciones.Dichametodologíasebasaenlaaplicacióndeconveniosgeneralesqueconllevanelempleodelanormativavigente,yenelempleo de convenios particulares diseñados para determinar la posición ydirección de las medidas así como el sistema de fijación de los transductores.Apartereflejaelcriteriodeseleccióndelainstrumentacióndemedidayequiposde lacadenademedidaasí comosuconfiguración.Deestecapítulo sederivanportantotodosloscriteriosatenerencuentaenlafaseexperimental.

Capítulo3.-Diseñodeexperimentos

46

3.1 CARACTERÍSTICASDELOSCOMPRESORES

Lamuestradelestudioabarca15salasdemáquinasrepartidasporlaciudadde León, que constituyen un total de 100 compresores. La fase demedida serealizóentrelosaños2007y2010.

Todos losequiposanalizados soncompresores frigoríficos semiherméticosalternativos (CFSA) ordinarios de desplazamiento positivo. Las marcas decompresoresqueseencuentranrepartidosporlasdiferentessalasdemáquinassonlassiguientes:DMWCOPELAND(63%)yBITZER(36%)yPRESTCOLD(1%).

En la Tabla 3.1 se muestran los diferentes modelos de compresoresexistentesenlassalasdemáquinasestudiadas:

Tabla3.1Relacióndesalasdemáquinasyequiposquealbergan

SALADEMÁQUINAS MARCA Nº MODELO

SanAgustín DWMCOPELAND2 DKJD-100-EWL1 DLLE-301-EWL1 DLFE-201-EWL

Total 4

MarquesesdeSanIsidro DWMCOPELAND

1 DLFE-201-EWL1 DLLE-301-EWL1 DKMD-51-EWL2 DKSJD-150-EWL2 DKJD-100-EWL1 DLFE-301-EWL1 DKSJD-100-EWL

Total 9

FrayLuisdeLeón BITZER

1 4T-8.2Y1 2HC-2.2Y2 2KC-05.2Y1 2GC-2.2Y1 4EC-6.2Y1 2JC-07.2Y

Total 7 PendóndeBaeza BITZER 2 2CC-3.2Y


47

SALADEMÁQUINAS MARCA Nº MODELO2 2KC-05.2Y1 4FC-5.2Y1 2JC-07.2Y1 2HC-2.2Y

Total 7

LuisCarmona BITZER

3 2JC-07.2Y1 2CC-4.2Y1 2FC-2.2Y1 4DC-5.2Y

Total 6

LopedeVega DWMCOPELAND

1 DLLE-401-EWL2 DLEE-201-EWL1 DKLC-150-EWL1 DKSJD-150-EWL1 DLFE-201-EWL1 DKSJC-100-EWL1 DKJD-100-EWL

Total 8

Puentecilla DWMCOPELAND

1 DLLP-30X-EWL1 DLSGP-40X-EWL1 DKSJP-15X-EWL2 DKMP-7X-EWL1 SINPLACA1 D2DL3-75X-AWM

Total 7

Colón DWMCOPELAND

1 DLLE-401-EWL2 DLFD-201-EWL1 SINPLACA1 DKLD-150-EWL

Total 5

SanMamésI DWMCOPELAND

1 DLSGF-401-EWL1 DLLE-301-EWL1 D2DL3-750-AWM1 DKSJD-150-EWL2 DKJD-100-EWL1 DKMD-75-EWL1 DKSJC-100-EWL


48

SALADEMÁQUINAS MARCA Nº MODELOBITZER 1 4FC–3.2Y

Total 9

SanMamésII DWMCOPELAND

1 DKJD-100-EWL1 DLLE-301-EWL1 DKSJD-150-EWL3 DKMD-75-EWL1 DLEE-201-EWL

Total 7

18dejulioDWMCOPELAND

1 DLSGP-40X-EWL1 DLLP–40X-EWL1 DKJP-10X-EWL

PRESTCOLDLTD 1 K150/0025 Total 4

SantaNonia BITZER 3 4CC-9.2Y-40S3 4TCS-8.2Y-40P

Total 6

JoséMaríaFernández DWMCOPELAND

1 DKSJD-150-EWL2 DKJD-100-EWL1 DLLE-401-EWL2 DKMD-75-EWL

Total 6

MarianoAndrés DWMCOPELAND

1 DLJE-301-EWL1 DLLE-301-EWL1 DKJD-100-EWL2 DKSJD-150-EWL1 DKMD-75-EWL

Total 6

ErasdeRenueva BITZER

1 2FC-3.2Y2 2JC-07.2Y1 2EC-3.2Y1 4T-8.2Y1 4EC-6.2Y3 2KC-05.2Y

Total 9


49

Lasmáquinas estudiadas presentan diferencias, aunque las característicasdetodasellasseencuentrandentrodelossiguientesrangos:

-Régimendefuncionamiento:[-30,5°C,+5°C]

-Desplazamientovolumétrico:[4,00m3/h,46m3/h]

-Potenciafrigorífica:[0,9kW,24,5kW]

-Númerodecilindros:2y4

-Refrigerante:R-134ayR-404A.

-Añodefabricación:[2002-2007]

Desde el punto de vista termodinámico todas las instalaciones siguen uncicloderefrigeraciónsaturadosimpleconungradoderecalentamientode10Kyungradodesubenfriamientode0K.

Todoslosequiposdecompresióntrabajanconalimentaciónmonofásicade230Vy conuna frecuenciade50Hzaun régimendevueltasde1450–1500rpm.

3.2 TÉCNICADEMEDIDA

Las mediciones se realizan respetando la normativa vigente y utilizandoconvenios generales y particulares diseñados para el caso concreto. Tanto lanormativa como los convenios utilizados determinan la forma de realizar lasmediciones.

3.2.1 Normativautilizada

La normativa consultada y aplicada en la investigación se restringe a lasiguiente:

ISO10816-1:1995Vibraciónmecánica.–Evaluaciónde lavibraciónenunamáquina mediante medidas en partes no rotativas – Parte I: Directricesgenerales[48].


50

ISO10816-6:1995Vibraciónmecánica.–Evaluaciónde lavibraciónenunamáquina mediante medidas en partes no rotativas – Parte 6: Máquinasreciprocantesconpotenciasuperiora100kW[49].

ISO 2954:2012 Vibración mecánica en maquinaria rotativa y alternativa –Requerimientos para los instrumentos demedida de la severidad de vibración[35]

UNE-EN12096:1998Vibracionesmecánicas.Declaraciónyverificacióndelosvaloresdeemisiónvibratoria[50].

UNE-EN 1299:1997 Vibraciones y choques mecánicos. Aislamiento de lasvibracionesdelasmáquinas.Informaciónparalaaplicacióndelaislamientoenlafuente[51].

3.2.2 Conveniosgeneralesempleadosenlasmediciones

Pordefinición losconveniossonestándaresqueseapruebanyadoptanenunprogramaparaemplearlosentodaslasmáquinasyaplicacionesinvolucradasen el mismo. Proporcionan la seguridad a todo el personal implicado de quetodospartendelamismabaseydequepuedencoordinarsusideas.Ennuestrocasosehanadaptadolosconveniosnormalizadosindicadosenelapartado3.3.1.

Podemos basarnos bien en normas o bien en nuestro propio criteriosiempre que adquiera un cierto carácter de “norma” entre todo el personalinvolucrado.

Lostresconveniosbásicosquedebencrearseparacualquiermáquina,yaseaenlafasedediseño,fabricaciónomantenimiento,son:

-Numerarlasposiciones.

-Nombrardichasposiciones.

-Definirlasdirecciones.

3.2.3 Conveniosparticularesempleadosenlasmediciones

Paradeterminarlaposiciónydireccióndelasmedidasmedianteelempleode los transductores, se propone la utilización de los siguientes conveniosparticulares:


51

Convenio particular 1.Perfecto conocimientomecánico de los equipos aestudiar. Para analizar un dispositivo mecánico es preciso conocer sufuncionamientoasícomotodoslosmecanismosimplicados.Esteconveniotienecomoobjetoconocerelrégimendefuncionamientodelequipoatravésdesuejeprincipal y el resto demecanismo a los que va acoplados. En nuestro caso elcigüeñalyelconjuntobiela-pistón.

Convenioparticular2.Conocimientodelarelacióndecompresión(t)delosequipos a estudiar. Los compresores frigoríficos son los responsables deincrementar lapresióndeungas refrigerantedesde lapresióndeevaporaciónhasta la presión de condensación [52]. Dependiendo de la relación decompresión (t), que es la relación entre la presión absoluta de descarga o decondensación (Pk) y la presión absoluta de evaporación (P0), los niveles devibraciónmecánicaoriginadospuedenvariar.Elpuntodetrabajoidealsealcanzaconunvalordet=5.Convaloressuperioresa5,elcompresortrabajaforzadoylosnivelesdevibraciónaumentan,pudiendollegarseaunpuntocríticoenelqueel compresoralcanza su límite físico [53]. Se considerael valor t=8comovalorcrítico.Paraevitarmedicionesdevibracionesquenoseobtienenencondicioneshabituales de funcionamiento, se realizarán las medidas asegurando que elcompresortrabajeconunarelacióndecompresiónsuperiora4einferiora6.

Convenio particular 3. Accesibilidad a los puntos de medida para lainstalación del transductor. Según la norma ISO 10816-1:1995 [48] lasmedicionesseefectuaránenloscojinetes,elalojamientodelcojinetedeapoyo,uotraspiezasestructuralesquerespondendemanerasignificativaalasfuerzasdinámicas y caracterizana la vibración total de lamáquina. Ademásdeello esprecisoconocerconantelaciónlaubicacióndelamáquinaylasposibilidadesquenosofrecealahoradesituareltransductor.

Convenio particular 4. Condiciones de limpieza y temperatura de lasuperficie de los equipos amedir, ya que pueden provocar daños al sensor einclusofalsearlosresultadosobtenidos[36].Esteconvenioafectaalmétododefijacióndel transductorasícomoa la laborespreviasa la fijacióndelmismo.Elmétododefijaciónafectaalafrecuenciaderesonanciay,portanto,alrangodefrecuencia útil del transductor. Por ello es importante asegurarse de que larespuestaenfrecuenciaeslaadecuadaantesdeiniciarlasmedidas.


52

3.2.4 Técnicapropuesta

Losconveniosgeneralesyparticularesseutilizanparaestablecer latécnicademedida.Unatécnicademedidaconsisteenlaenumeracióndelasposicionesy direcciones demedida en cadamáquina, así como el sistema que se ha deutilizarparafijareltransductor.

a)Posicionesdemedida

Aplicando el criterio 3 y la norma ISO 10816-1:1995 [48], se hanseleccionado dos puntos de medida, (ver Figura 3.1), los cuales quedanreflejadosenlasiguientetabla:

Tabla3.2Nomenclaturadelospuntosdemedida

Punto1 *CojinetedelcigüeñalPunto2 Cojinetedelejedelmotoreléctrico

*Elementoimpulsado:Bombadeaceiteycigüeñal

Figura3.1Disposicióndelospuntosdemedida(CortesíaBITZER)

A pesar de las consideracionesmencionadas con anterioridad, debido a laimposibilidaddeaccederalpuntodemedidanº2enun72%deloscompresores,solamenteseconsideraránlosresultadosobtenidosenelpuntonº1enlos100compresoresmedidos.


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b)Direccionesdemedida

Atendiendo a los convenios particulares 3 y 4, así como a la norma ISO10816 en la sección “Máquinas Horizontales de accionamiento directo”, seidentificantresejes:“EjeVertical,EjeHorizontal,yEjeAxial”(V-H-A)(verFigura3.2yFigura3.3).

- Direcciónvertical(V)(EjeX):Lalíneamáscortaposiblequeconecteelejeconlabasedelamáquina.

- Dirección horizontal (H) (Eje Y): Línea paralela al suelo que forme untriedrotrirrectánguloconlosotros2ejes.

- Direcciónaxial (A) (EjeZ): Ladelejede lamáquina,paralelaaésteyalsuelo.

Figura3.2DireccionesV-H-Aenelpuntodemedida1


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Figura3.3Colocacióndelacelerómetrotriaxialenelpuntodemedida1

c)Sistemadefijación

Considerando el convenio particular 4 y la ISO 2954:2012 [35] en suapartado 6 (requisitos del transductor de vibración), el transductor debe serdiseñado para fijarse lo más rígidamente posible al dispositivo objeto demedición.Otroaspectoimportantequeresaltadichanormaesqueentodoslostipos de fijación la sensibilidad transversal deberá ser menor de 0,1 vecessuperioratodoslosrangosdefrecuenciamedibles.

Antesdeiniciarcualquiermedidadevibraciónesimportanteasegurarsedeque la respuesta en frecuencia es la adecuada [36]. Cada uno de los distintostiposdemontajedeuntransductortieneventajaseinconvenientestalycomosemencionó en el apartado 2.4.3. La elección adecuada para un problema demedida concreto depende de varios factores, entre los cuales están lossiguientes:

- Efectosdelmontajesobreelrangodefrecuenciasútildeltransductor.

- Efecto de la carga de la masa del montaje del transductor sobre lasuperficiedeensayo.

- Nivelmáximodevibraciónquepuedeaguantarelmontaje.

- Temperaturamáximadefuncionamiento.


55

- Precisióndemedida.

- Posibilidadderepetirlasmedidas.

- Estabilidaddelmontajealolargodeltiempo.

- Requisitodequelasuperficiedeensayonosedañeconlosagujerosdelostornillos.

- Requisitodeaislamientoeléctricodeltransductor.

- Tiemporequeridoparaprepararelmontaje.

- Tiemporequeridoparaquietarelmontaje.

- Dificultad de limpieza del transductor después de su retirada de lasuperficiedeensayo.

- Dificultad de limpieza de la superficie de ensayo una vez retirado deltransductor.

- Destrezarequeridaparaprepararelmontaje.

- Costedelmontaje.

- Problemasambientales.

El grado de confianza de la respuesta a altas y bajas frecuencias estáafectadodirectamentepor la técnicademontajeseleccionada.Engeneral,unamayor área de contacto superficial entre el sensor y la fuente de vibracióndarácomoresultadounamayorfrecuencia.

Para comprobar la eficacia de cada uno de los sistemas de fijación serealizarontresensayosdecomportamientovibratorioutilizandounamáquinadeimpactosnormalizada(Tabla3.3)comofuentedevibraciónante laausenciadeequipos generadores de vibraciones definidas y controladas. La máquina deimpactosseubicaenunaposicióndiferenteencadaensayo(Figura3.4):

• Ensayonº1:Máquinadeimpactossituadasobreunamesadeensayo.

• Ensayo nº 2: Máquina de impactos situada sobre el suelo siguiendo lamismaproyecciónperpendicularconrespectoalaposicióninicial.

• Ensayonº3:Máquinadeimpactossituadasobreelsueloyalejadadelamesadeensayo.


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Tabla3.3Especificacionestécnicasdelamáquinadeimpactos

ESPECIFICACIONES UNIDADES

Fabricante RetecInstrumentsModelo RI-069

Nºdeserie 010214-01Nºdemartillos 5de500g/martillo

Espaciadolongitudinalentremartillos 100mm

Alturadecaídadecadamartillo 40mmTiempoquetranscurreentredos

martillos 100ms

Figura3.4Disposicióndelasposicionesmáquinadeimpactos-acelerómetro

Lossistemasdefijaciónquegarantizanelcumplimientode lanormativareferente al valor de la sensibilidad transversal y que se ensayaron son lossiguientes:

1. Vástagoroscadoconpegatinadedoblecara.

2. Vástagoroscado.

3. Pegatinadedoblecara.

0,63 m

4,20 m

0,71 m

Fase nº1

Fase nº3

Fase nº2


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4. Ceradeabeja.

5. Cianoacrilato.

6. Siliconafría.

En total se registraron 3 medidas por cada una de las tres posiciones defuenteyporcadaunodelosseissistemasdefijación,loquehaceuntotalde54registros,cuyosvalorespromediadossereflejanenlaTabla3.4.

Tabla3.4Resultadosobtenidosencadaensayo

ENSAYO1Tipodeunión ValorRMS(m/s2)

Uniónroscada+pegatina 13,289Uniónroscada 12,853

Pegatinadedoblecara 17,258Ceradeabeja 12,092Cianoacrilato 12,148Siliconafría 12,942







En nuestro caso, la fijación no tiene requerimientos para unmonitorizadopermanente,queobligaríanapensarenvástagoroscadooenuniónmagnética.


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Además,enesecasoypuestoquelassuperficiesdefijaciónalosCFSAobjetodeestudio no son ferromagnéticas, los sistemas magnéticos también quedaríandescartados.

Elusodeceradeabejasedescartaporquelatemperaturadelasuperficiedecontacto acelerómetro-CFSA es superior a 35°C en régimen normal defuncionamientodelosequiposanalizados.

En la Tabla 3.4 se observa que la pegatina de doble cara es la quemejortransmite la energía (captura valores RMSmás elevados) cuando la fuente devibración y el acelerómetro están próximos entre si, mientras que la cera deabeja es la quemejor se comporta cuando están alejados. Como el punto demedidaenlosCFSAobjetodeestudioestámuypróximoalafuentedevibración,se puede concluir que la pegatina de doble cara es el sistema de fijaciónmásadecuado.

3.3 SELECCIÓNDELAINSTRUMENTACIÓN

3.3.1 Requisitosdelainstrumentación

Paragarantizarelcorrectofuncionamientodelacadenademedidacadaunodesuselementoshandecumplirlosrequisitossiguientes:

1. Transductor de vibraciones (acelerómetro). Aparte de los requisitosestablecidos en la ISO 2954:2012 [35] en su apartado 5 (RequisitosGenerales), se debe garantizar que el transductor de vibraciones estémontado correctamente y que su presencia no afecte a lascaracterísticasderespuestadevibracióndelamáquina[48].

2. Analizador de vibraciones. Según la norma ISO 10816-1:1995 [48] sepuedenutilizardostiposdesistemasparamonitorearlasvibraciones:

a) instrumentos que incorporan circuitos detectores de RMS y quevisualizanesosvalores.

b) instrumentosque incorporanbiencircuitosdetectoresdeRMSbiencircuitosdetectoresdepromedio,peroquesonescaladospara leervalorespico-picoo valoresdepico. El escalado sebasaen suponer


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quehayunarelaciónsenoidalentrelosvaloresRMS,promedio,pico-picoylosvaloresdepico.

Si laevaluacióndelavibraciónsebasaenemplearmásdeunamagnitud–desplazamiento,velocidad,aceleración–lacadenademedidadeberásercapazdecaracterizartodasycadaunadeesasmagnitudes.

LanormaISO10816-1:1995[48]indicaque,ademásdeloselementosdelacadena de medida, se disponga de un calibrador de vibraciones, pues serecomienda que el sistema de medición se pueda calibrar en línea con lainstrumentacióndelectura.

Lainstrumentaciónempleadaenlamedidadevibracioneshasidofabricadayprobada individualmenteenorigen,con loquevanormalmenteacompañadade los correspondientes gráficos de la calibración efectuada, y de lascorrecciones que han de introducirse. Aún así conviene comprobar antes ydespuésdelasmedidaslasensibilidaddelosacelerómetros,paralocual,ysalvomedidasespecialesenlaboratorioacústico,enquesecompruebalarespuestaatodas las frecuencias, basta en la práctica comprobar mediante diferentestécnicasdecalibracióndecampo.

Atendiendoalosrequisitosdela ISO2954:2012[35]ensuapartado5.7,elcalibrador de vibraciones genera una vibración mecánica con característicasespecificadasqueseaplicaalacelerómetropararealizarcomprobacionesin-situdesusensibilidad.Atendiendoalanaturalezayfuentedelasvibracionesquesepretenden analizar, el calibrador de campo deberá cumplir los siguientesrequisitos:

1. Eltransductordeberáserexcitadomedianteunavibraciónsinusoidalconunadirecciónde la vibraciónqueno sedesvíemásde±5° conrespectoalasensibilidaddelejedeltransductor.

2. La distorsión armónica total de la velocidad de vibración deexcitación,nopodráexcederdel5%.

3. Lavelocidaddevibracióndeexcitacióndebetenerunaincertidumbrecomprendidaentre±3%dentrodelagamadefrecuencias.

4. Se recomienda que el valor de referencia de la sensibilidad estéajustadoa80Hzyquelosnivelesdevibraciónseanlosadecuadosen


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funciónde los rangosdisponibles,yconunatemperaturaambientede23±3°C.

3.3.2 Instrumentación

Existen diversos fabricantes de equipos que cumplen con los requisitosestablecidosenelapartadoanterior.AcontinuaciónsedescribenlosquesehanutilizadoparalosexperimentosyquehansidoproporcionadosporelLaboratoriode Acústica Aplicada de laUniversidad de León. Se trata de un laboratorio deensayo acreditado por ENAC para alcances relativos a medida de ruido yvibraciones,conacreditaciónNº965/LE1892.

ANALIZADORDEVIBRACIONES

Marca:SVAN;Modelo:948.VibrómetroyanalizadorTipo1(Figura3.5).Realizamedicionesdevibracionesen tiemporealen3canalessimultáneamente.Cadacanalsecorrespondeconcadaunodelostresejesdemedidaasí,elcanal1secorrespondeconelejeX,elcanal2conelejeYyelcanal3conelejeZ.Permiterealizaranálisis FFTyen tiempo realporbandade1/1octavay1/3deoctava(Tabla3.5).

Tabla3.5CaracterísticasdelmonitordevibracionesSVAN948

VIBROMETRO/ANALIZADOR

Precisiónsegúnestándares

Tipo1:ISO8041(segúnISO2631-1&2,ISO5349-1&2),ISO10816-1

Modomedidor RMS,VDV,MTVV,Peak,Peak-Peak,Max,Min,HistorialdeTiempo

Filtros Wk,Wc,Wd,Wj,Wh,Wm,HP1,HP3,HP10,Vel1,Vel3,Vel10,VelMF,Dil1,Dil3,Dil10,KB

Rangodemedición 0,003ms2RMSa1000ms2Peak

Rangodefrecuencia 0Hz-20kHz


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Figura3.5AnalizadorSVAN948ACELERÓMETROTRIAXIAL

Marca:PCBPiezotronics;Modelo:356A02(Figura3.6).

Tabla3.6Especificacionestécnicasdelacelerómetro356A02

ESPECIFICACIONES UNIDADES ACELERÓMETROISEN021F

SensibilidaddeVoltaje mV/g 10RangodeFrecuencias(+/-5%) Hz 0,5a3000RangodeFrecuencias(+/-10%) Hz 0,3a5000

FrecuenciaResonante kHz ≥25RangodeMedición +/-gpk 500VoltajedeExcitación VDC 20a30


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Figura3.6AcelerómetrotriaxialPCBPiezotronics

CALIBRADORDEVIBRACIONES

Marca: RION CO LTD; Modelo: VE-10 (Figura 3.7). Nº de serie: 00131281.Frecuenciadecalibración:159,2Hz.Aceleración:10m/s2(±3%entre+10/+40°C)//Velocidad:10mm/s(±4%entre+10/+40°C)//Desplazamiento:10µm(±5%entre+10/+40°C).

Figura3.7CalibradordecampoRIONVE-10


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3.4 PROTOCOLODEMEDIDA

Elprotocolodiseñadopara larealizaciónde lasmedicionescomprendedosfases:configuracióndelainstrumentaciónymedición.

3.4.1 Configuracióndelainstrumentación

Elanalizadordevibracioneseselúnicoequipodelacadenademedidaquehayqueconfigurar.Paraello se tienenencuenta los rangosde frecuenciasdefuncionamientode losCFSA, susnivelesde vibraciónmáximosesperados y loscriteriosdefuncionamiento.

El análisis de vibraciones mediante FFT da mejor resultado para escalaslineales y solamente es aplicable a una anchura de campo de frecuenciaslimitado [43]. En nuestro caso el rango de frecuencias estudiado estácomprendido entre 0 Hz y 2,5 kHz. El fundamento por el cual se ha decididoelegir dicho rango es porque es elmáximoofrecidopor el analizador y aparteporquenoseconocedeantemanoelrangodefrecuenciaspredominantesdelosCFSA que se analizan. El empleo del análisis FFT ofrece unamayor resoluciónsegúnvacreciendolafrecuencia[18].

ElmétodoFFTesengeneralpreferiblecuandosedeseadetectarconmayorfacilidad componentes frecuenciales igualmente espaciados, como losarmónicos. Suele admitirse que el diagnóstico es más fácil si el espectro estápresentadoconescalalinealdefrecuenciasenbandasdeanchuraconstante.

Para la configuración del análisis FFT se tiene en cuenta que, para laadquisicióndelaseñalsehaempleadounmuestreode400líneasparaunaseñaltemporalde1024muestras,porloquelaresoluciónespectralconlaqueseharealizadoelanálisisesde2,5kHz/400líneas:6,25Hz/línea(anchodebanda).Apartir de dicha resolución determinamos el tiempo de integración 1/6,25Hz/línea:160ms.

LaventanaseleccionadaparalaobtenciónderesultadoseneldominiodelafrecuenciaesladeHANNING.Dichaventanasetratadeunafunciónmatemáticausadafrecuentementeenelanálisisyprocesamientodeseñales,conlaintencióndeevitardiscontinuidadesalprincipioyfinaldelosbloquesanalizados.Suusoesde propósito general en señales continuas [42]. Ofrece una mejor resolución


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frentea laventanadeFLAT-TOP,aunquepresenteunmayorerrorenamplitudsobreestaúltima[13,54].

LaTabla3.7muestra losvaloresde losdiferenteselementosconfigurablesenelanalizador.

Tabla3.7ConfiguracióndemedidadelanalizadorSVAN948

ESPECIFICACIONES VALORES

Calibración PormediciónInicioretardado 3segundos

Tiempodeintegración 30segundosConstantedetiempopor

canal 1segundo

RangodeMedida 17,8m/s2y316m/s2Rangodefrecuencias de0Hza2,5kHz

Filtrosdeponderación HP1-mm/s2//Vel1-mm/syDil1-mm

Almacenamiento BuffersasociadosRangodefrecuenciasdel

analizadorFFT De0kHza2,5kHz

Nºdelíneasdemuestreo 400

3.4.2 Procedimientoparalarealizacióndemediciones

Lasmedidasserealizaronutilizandoelsiguienteprocedimiento:

1. Preparacióndelosequiposdemedida

2. Tomadecontactoconlasalademáquinas

3. Calibracióndelacelerómetro

4. Limpiezadelpuntodemedida

5. Eleccióndeloscompresores

6. Medida

7. Descargayalmacenamientodearchivos


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1. Preparacióndelosequiposdemedida

Antesdetrasladarlainstrumentaciónallugardemediciónsecompruebaquesedisponedetodoelinstrumentalydelosaccesoriosnecesarios(Tabla3.8).

Tabla3.8Instrumentacióndelacadenademedidayaccesorios

Instrumentacióndelacadenademedida Accesorios

Analizadordevibraciones TrípodeAcelerómetrotriaxial Pegatinasdedoblecara

Calibradordevibraciones Productoquitagrasas

Cabledeconexión Cámarafotográfica

Hojadecampo

2. Tomadecontactoconlasalademáquinas

Paradocumentarlasituacióndelasalademáquinasinmediatamenteanterioralasmediciones,serealizanlassiguientestareas:

i. Atenderaladisposicióndeloscompresores.Puedenexistircompresoresinaccesiblesporladisposicióndelosdispositivosqueformanpartedelainstalación(condensadores,valvulería,recipientesdelíquido,tuberías)opor los elementos constructivos que la circundan (paredes, pilares,bancada,etc.).

ii. Establecercontactovisual,auditivoytáctilconlaintencióndecomprobarsiestánfuncionandoeneseinstante.

iii. Determinarquécompresoressonsusceptiblesdesermedidos.

iv. Fotografiar la sala (Figura 3.8), con la intención de facilitar su posteriorcroquizado(Figura3.9).


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Figura3.8Vistageneraldelasalademáquinas“ErasdeRenueva”

v. Cumplimentar una ficha con la siguiente información de la sala demáquinas:

• Fechaderealizacióndelasmediciones.

• Código,nombreydireccióndelsupermercado.

• Esquemadeladistribucióndeloscompresoressinescala.

• Condicionesambientales(temperaturayhumedadrelativa).

• Notasdeinterés.

Figura3.9DisposicióndecompresoresenlasalademáquinasErasdeRenueva


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3. Calibracióndelacelerómetro

Calibrar un acelerómetro es comprobar que la salida que genera cuando seconecta al calibrador de campo, es similar a la que genera un transductornormalizadosecundarioconectadoalmismocalibradordecampoysujetoalasmismasvibraciones.Estacalibracióntieneunadoblevertiente:porsensibilidadypormedición.

Calibración por sensibilidad: Se introducen en el analizador los datos desensibilidadqueindicaelfabricantedelacelerómetroparacadaunodesusejes.Esta informaciónquedaalmacenadaen lamemoria internadelanalizador,quequedalistopararealizarlacalibraciónpormedición.

Calibración por medición: Se calibra cada uno de los ejes por separado.Teniendoencuentaqueelacelerómetrotriaxial tieneformacúbicayquecadaeje es un vector normal al plano de una cara, la calibración se divide en tresetapas,unaetapaparaelejeX,otraparaelejeYy laúltimaparaelejeZ (verFigura3.10).Cadaetapacomprendelossiguientespasos:

1. Fijarsobreelcalibrador,conunadhesivo,unadelasdoscarasparalelasdelacelerómetroquevibranenladireccióndelejequesedeseacalibrar.

2. Excitaral calibradoryutilizarel analizadorpara comprobarqueel valorobtenidopor cada eje es igual al nivel de calibración, es decir, 10m/s2queequivalea140dBconunmargende±0,5dB.

Figura3.10OrientacióndelosejesdelacelerómetroPCBPiezotronics


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Antes y después de cada serie de medida, hay que calibrar elacelerómetro, para comprobar que no ha habido mayor desviación que elmargende±0,5dB.

4. Eleccióndeloscompresores.

Una vez calibrado el acelerómetro se procede a seleccionar los compresoressobre los que realizar las mediciones, que serán todos aquellos que seencuentren funcionando en régimen permanente. Se sabe que un compresortrabajaen régimenpermanentecuandosecumplecualquierade las siguientescondiciones:

o Latemperaturadelatuberíadedescargadelcompresoresmayoroigualque45°C(sepuedemedirconlaayudadeuntermómetrodeinfrarrojos,porejemplo).

o Hay escarcha o humedad condensada sobre zonas no aisladas de latuberíadeaspiración(indicadoresdequelatemperaturadelosgasesdeaspiraciónesinferiora0°C).

5. Acondicionamientodelpuntodemedida

Tras la selecciónde loscompresores susceptiblesdesermedidos seprocedeaacondicionar el punto de medida. Las salas de máquinas son lugaresgeneralmentedescuidados,dondeseacumulanpolvo,suciedadyaceite.Así,espreciso limpiar la zona afectada con desengrasantes de uso industrial paraconseguirunperfectoacoplamientodeladhesivodedoblecaraygarantizarunatransmisióndevibracionesefectivaentreelcompresoryelacelerómetro.

6. Medicióndevibraciones

El siguiente protocolo se utiliza para obtenermedidas de vibraciones de cadaunodeloscompresores:

• Anotarlamarcaymodelodelcompresorenlahojadedatos.

• Pegarunadhesivodedoblecaraenlabasedelacelerómetro.


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• Colocarelacelerómetroenelpunto1demedida(cojinetedelcigüeñal–Figura3.3).

• CargarelfiltroHP1,Vel1oDil1enelanalizadordevibraciones(Tabla3.5).

• Fijarel cablede conexión concintaadhesiva al suelo (Figura3.11)paraevitar el ruido triboeléctrico o efecto de electrificación por frotamiento[32].

Figura3.11Métododefijacióndelcabledeconexión(CortesíadeBrüel&Kjaer)

• Esperar dos minutos para que se estabilice el acelerómetro(recomendación del fabricante del acelerómetro PCB Piezotronic, portratarsedeunacelerómetropiezoeléctrico).

• Realizar tres medidas de 30 segundos de duración (con el objeto deutilizar su valor promedio como resultado final) y comprobar que elcompresorcontinúafuncionandounavezfinalizadacadaunadeellas.Siel compresor se hubiera parado, la medida no es válida y habrá querepetirla. Cada medida correctamente finalizada se almacena en elanalizadoryseanotaelnombredelarchivogenerado.

• Una vez finalizadas lasmedidas es preciso anotar, si procede, cualquierposible desviación almétodo de ensayo y descargar los archivos en unordenadorparasuposteriortratamiento.

4

RESULTADOS

EXPERIMENTALES

Enestecapítulosepresentanlosresultadosexperimentalesobtenidosenlasmedidas de vibraciones realizadas en los CFSA. Semuestra en primer lugar losresultados espurios fruto del comportamiento excéntrico de un grupo decompresores. Seguidamente se realizaunanálisis clústero clasificacióngrupalcon el objetivo de identificar las clases de comportamiento presentes en lamuestra así como un análisis discriminante. Con los resultados obtenidos, sedeterminan las frecuencias a partir de las cuales no se aporta ningún tipo deinformaciónconlaintencióndedeterminarpatronesdecomportamiento.Comoúltimo punto se establece una clasificación de los compresores, por marca ymodelo,enfuncióndelperfilcaracterísticodevibración.

Capítulo4.-Resultadosexperimentales

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4.1 TRATAMIENTODELOSRESULTADOSOBTENIDOS

Serealizaenestecapítuloelanálisisde losdatosrecogidosenlasdistintassalasdemáquinas.LoscompresoresysusdetallesvienenrecogidosenlaTabla3.1.

Losresultadoscompletosdelosexperimentosqueserealizaronenlassalasdemáquinasaparecenenlosanexosaestedocumento.ElanexoApresentalosespectrosdelasmedianasdevibracionesdeloscompresoressituadosenlasalademáquinasdeSantaNoniayconsideradoscomoespurios,elanexoBreflejalosespectrosdevibracionesdelrestodecompresoressituadosenlasotrassalasdemáquinas,elanexoCmuestraelespectrodeamplitudcombinadaXYdelperfil1,elanexoDmuestraelespectrodeamplitudcombinadaXYdelperfil2,elanexoEmuestraelespectrodeamplitudcombinadaXYdelperfil3,elanexoFmuestraelespectrodeamplitudcombinadaXYdelperfil4yelanexoGmuestraelespectrode amplitud combinada XY del perfil 5. Estos últimos cinco anexos se hanelaboradofrutodelaclasificacióndeloscompresoresenbaseasuespectrodevibracionesmanteniendoúnicamentelosejesXeY.

Unanálisisprevioexploratorio identificaaquellasmediciones realizadasenla sala demáquinas de Santa Nonia como espurias. Como puede verse en losgráficosrecogidosenelanexoA,estosmuestranuncomportamientototalmenteexcéntrico y anárquico con respecto al resto de compresores analizados. Estecarácter espurio no sorprende conocidas las circunstancias en las que serealizaron lasmediciones que hacían sospechar posibles errores en lamedida.Unodelosprincipiosbásicosdelateoríadeerroresmanifiestaque,nadiemejorque el propio experimentador para conocer el grado de confianza que lemerecen los resultados de un experimento. Este es un fiel reflejo de dichoprincipio en el que se desechan las medidas realizadas sobre los seiscompresoresquecomponen la instalación frigorífica.Ladesconfianzaradicaenellamentableestadodemantenimientodeloscompresoresyenlascondicionesdelentorno.

LosgráficosdelAnexoArecogenlosvaloresdelasmedianasdelasmedidastomadasencadaunodelostresejesenunrangodefrecuenciasquevaríadesde0Hza2.500Hz.


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El carácter espurio de las medidas de Santa Nonia queda en evidenciamediantelosvalorescorrespondientesaestostresparámetros(verTabla4.1)

Tabla4.1Parámetrosrepresentativos1deladistribuciónobservadaenlasvibracionessegúnlosejesX,Y,ZenloscompresoresdeSantaNonia

Eje Parámetro Pico(m/s2) P-P(m/s2) RMS(m/s2)

X

Mínimo 13,03 25,70 3,631Cuartil1 14,96 28,27 4,217Mediana 16,31 30,20 4,390Media 16,60 30,99 4,384Cuartil3 18,14 33,40 4,571Máximo 22,65 42,17 5,188

Pico(m/s2) P-P(m/s2) RMS(m/s2)

Y



Z


Descartadas las mediciones de los 6 compresores de Santa Nonia, restanpara el análisis las medidas correspondientes a 94 compresores, cuyasmediciones se representan recogidasenelAnexoB.Demanera similaral casodel Anexo A se representan las medidas tomadas en los tres ejes parafrecuenciasquevaríandesde0a2.500Hz.

1EnlaTablaserepresentaelmenordelosvaloresobservados(mínimo),elvalorsuperioral25%delasmuestrasrecogidas(primercuartil),lamediana(superioral50%delasmuestras),lamedia(centrodemasasdeladistribución),eltercercuartil(valorsuperioral75%delasmuestras)yelmayorvalorobservado(máximo).


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Comosedesprendedelavisualizacióndeestasfigurasypuedecomprobarsenuméricamente en la Tabla 4.2, las mediciones registradas en el eje Z, querecordemosqueeselejecuyadirecciónesparalelaalejedegirodelcigüeñal,nosonsignificativaspueslavibraciónapenassemanifiestaenesteeje,porloqueelresto del análisis se realiza únicamente utilizando los ejes X e Y por ser estosdondesemanifiestalavibración.

Tabla4.2ParámetrosrepresentativosdeladistribuciónobservadaenlasvibracionessegúnlosejesX,Y,Zenelrestodecompresores

Eje Parámetro Pico(m/s2) P-P(m/s2) RMS(m/s2)

X



Y



Z


Talycomosemencionóenelapartado3.2.4deldiseñodeexperimentos,elejeZposeeunadirecciónaxialalpuntodemedidayportantoparalelaalejedelcigüeñal del compresor. Si nos detenemos en los valores RMS, teniendo encuenta quedichoparámetro nos da un idea de la capacidaddestructora de lavibración, sepuedeobservarque,cuantitativamentehablando,existeunagrandiferenciadevaloresconrespectoalejeXeY.Enlasmáquinasalternativas[55]


75

estadiferenciaesnormalteniendoencuentalacaracterísticasmecánicasdelosCFSA medidos. Los CFSA están sometidos a esfuerzos radiales,fundamentalmente radiales verticales (eje X), ya que, por su principio defuncionamiento,tieneacopladosalcigüeñalelconjuntobiela-pistónencargadosdellevaracabounaverdaderacompresiónmecánicaporcadagirodecigüeñal,alprovocarmovimientosalternativosascendentesydescendentesa lo largodeloscilindrosenlosqueseencuentranalojados.Lascargasqueactúansobreuncigüeñal generan efectos de flexión, torsión y cortadura generando estadostriaxiales de esfuerzos que originan comomás crítica, la rotura por fatiga delcigüeñal [56]. Estos esfuerzos también son transmitidos al puntode apoyodeleje,esdecir,aloscojinetes,cuyafunciónesladereducirlafricciónentreunejeylaspiezasconectadasaéstepormedioderodadura,quelesirvedeapoyo.

Este reparto de esfuerzos axiales es más típico de compresores de doscilindrosenlínea,yaqueladisposicióndeloscilindrosesperpendicularalejederotacióndelcigüeñal(verFigura4.1).

Figura4.1Interpretacióndelsistemadeaccionamientodeuncompresoralternativoconcilindrosdispuestosenlínea[10]


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EnelcasodecompresoresconloscilindrosdispuestosenV(verFigura4.2),comoenelcasodeloscompresoresdecuatrocilindrosmedidos,losesfuerzossereparten radialmente en los ejes X e Y debido a la configuración en V de losmismos[10].ElloprovocaunadistribuciónmásuniformedelosnivelesRMSdevibraciónasícomounrepartodeesfuerzosamediasyaltasfrecuencias.

Figura4.2InterpretacióndelsistemadeaccionamientodeuncompresoralternativoconcilindrosdispuestosenV[10]

ComopuedecomprobarsemediantelaobservacióndelasfigurasdelAnexoB,lavibraciónsemanifiestademanerasimilarenlosejesXeYpresentándoseenlas mismas frecuencias. Este hecho facilita el análisis al ser posible reducir ladimensióndelconjuntodedatosaanalizarmediante lacombinacióndeambasseñales. En este caso ha sido suficiente con una transformación que, no sólosimplificael análisis, sinoqueademás conserva sentido físico. Enparticular, setrabajaenlosanálisissiguientesconlaseñaltransformadaW:

W = x2 + y2 (4)


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Comopuedeapreciarse,estanuevaseñalnorepresentamásquelaamplitudcombinadadelavibraciónpresenteenlosejesXeY.

DelAnexoCalGserecogelarepresentacióndelaamplitudcombinadaXYpara los 94 compresores. Adicionalmente, con el fin de comprobar la posibleexistenciadealgunamediciónadicionalconvaloresespurios,serepresentanenlos mismos Anexos, no sólo los valores de las medianas de la amplitudcombinada sino además superpuestos los valores registrados en las 30mediciones a lo largo de un segundo, que recoge el analizador de vibracionesutilizado, SVAN 948. La observación de estas imágenes sugiere uncomportamiento muy similar en las 30 mediciones salvo en el caso de loscompresores:

- Compresornº6–SalademáquinasLuisCarmona

- Compresornº7–SalademáquinasPuentecilla

- Compresornº2–SalademáquinasJoséMaríaFernández

- Compresornº3–SalademáquinasMarianoAndrés

- Compresornº6–SalademáquinasErasdeRenueva

No obstante, las distorsiones registradas en estos compresores quedanmitigadasporlarobustezdelamedianacomoparámetrodecentralidad,loquereafirma la idoneidad de su uso. Si bien es cierto que pudieran interpretarsecomoseñalesespuriasenalgunoscasos,noresultaimprescindibleenestepuntoconsiderarlascomotales,pueslapropiatécnicadeclasificaciónelegidadecidirácualessulugarynaturaleza.

Seguidamente se realiza un análisis clúster o clasificación grupal con elobjetivodeidentificarlasclasesdecomportamientopresentesenlamuestradelosdatosrecogidos.Ellopermitirálograrundobleobjetivo:porunlado,separarelconjuntodedatosendistintossubconjuntosdeacuerdoa lasimilitudde losregistros observados, lo que permite analizar posteriormente de maneraindividualizada cada subconjunto de datos2; por otro, la caracterización de los

2Eltratamientoindividualizadodelasdistintassubclasesnogarantizaaprioriunmejorresultadodelosanálisisposteriores,sibienenocasioneslopermite.Amodoilustrativopuedepensarseendosmodelospredictivos:elprimerodeelloslinealyelsegundodecaráctercuadráticooderango


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modos de vibración principales que se han observado, mediante el perfilcaracterísticosdecadaunadeestasclasesdetectadas.

Discutimos dos tipos de algoritmos de clasificación, hablamos de dosgrandes familias, las técnicas de clasificación supervisada o de análisisdiscriminante,ylastécnicasdeclasificaciónnosupervisadaodeanálisisclúster.Lasprincipalesdiferenciasentreestosdostiposdeclasificaciónson:

El análisis discriminante parte de la caracterización de las clases y utilizaesta caracterizaciónparaasignar losdatosa las clasesexistentes [57].Amodoilustrativo, la Figura 4.3 representa un posible escenario de la discriminaciónentre clases en el que se persigue determinar cuál de las tres poblacionesgeneradorasdedatos(A,BoC)existenteshasidoelcreadordelamuestrax1.

Figura4.3Análisisdiscriminante[58]

Lastécnicasdeanálisisdiscriminante, tambiénconocidascomotécnicasdeclasificación supervisada, se fundamentan en un escenario en el que existe unnúmero g de clases de comportamiento cuyo modelo probabilístico estádeterminadoyesconocido.Supropósitoesdoble[58]:

superior.Establecerdosmodelosdistintosen intervalosseparadospuedeconllevarunamejoraenelsegundocasoperonoreportarámejoraningunaenelprimero.


79

1. Describirlasdiferenciasentrelasclasespresentesydefinircualessonlas variables que mejores características presentan en ladeterminación o predicción de la clase a la que pertenece unaobservación. A estas variables las denominaremos variablesdiscriminantes y a este tipo de análisis lo denominaremosdescriptivo.

2. Establecerreglasquepermitanasignarlasobservacionesregistradasa cada una de las clases presentes. Éste es el denominado análisisdiscriminante predictivo, por perseguir estimar la pertenencia o nodeunaobservaciónenlosdiferentesgrupos.

Enelanálisisclúster,alcontrario,seutilizanlosregistrosdelamuestraconel objetivo de caracterizar las poblaciones generadoras de datos [59]. Amodoilustrativo,enlaFigura4.4serepresentaunaposiblemuestrasusceptibledeunasencillarepresentacióncontresmodelosgeneradoresgraciasalanálisisclúster.

Figura4.4Análisisclúster[58]

El análisis clúster persigue identificar clases diferenciadas en el conjuntoglobal de los datos disponibles, o sea, organizar la información obtenida en elprocesodemuestreoenestructurasconferidasdeunsignificadoquepodamos


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explicarynosresulteútil.Utilizamostécnicasdeanálisisclústerporquesondegranutilidadenlaprimerafasedelanálisisdedatosalpermitirnossepararcadauna de las estructuras para un análisis posterior adecuado a la naturaleza decada una de ellas. Obtenemos de esta forma un primer conocimiento de losdatosdel estudio, de los cuales aúnno contamos conunnivel de informaciónsuficiente como para establecer conjeturas. La información que nosproporcionarán estas técnicas contribuirá al punto de partida para eldescubrimientodeconfiguracionesmáscomplejas.

El análisis clúster guía a una clasificación de subgrupos uniformes yheterogéneosqueconvivendentrodeunamismarealidad.Estetipodeanálisisha resultado muy importante en diferentes campos: como la psicología, labiología, lamedicina, la inteligencia artificial, el reconocimiento de señal y unamplioetcétera.Lasdenominacionesporlasqueselehaconocidotambiénhansidomúltiples: taxonomía numérica, tipología, reconocimiento de patrones nosupervisado,análisisQoanálisisgrupal,entreotros.Suaplicaciónesubicuaencualquiercampodelacienciaylainvestigación.

Esteanálisisdivideelconjuntodevariablesestudiadasdetalformaqueloselementosqueconstituyencadaclaseseansimilaresentresíydiferentesa loselementosdelasotrasclases[60].Elreconocimientodeestosgruposconstituyesu estructura basándose en modelos simples, en los cuales se determinan ycaracterizancomoresultadodelanálisislosparámetrosquedefinenyordenanacadagrupo,porseréstosdesconocidosapriori.Esteeselobjetivoprincipaldelastécnicasdeclasificación.

Estas técnicas realizan una fragmentación en clases, en función de laanalogíamostrada entre las distintas observaciones registradas. La descripciónde la medida de la afinidad entre muestras será un elemento decisivo en elresultadofinalyenlainterpretación.Loscriteriosutilizadosparaestablecerestaanalogía, la métrica, y la estrategia utilizada para valorar la idoneidad de lasconformacioneslogradas,seránlosfactoresdeterminantesquedistinguiránunastécnicasdeotras.

Entodocasotodaslastécnicastienenuncriteriocomúnqueesmaximizarlaigualdad interna de las clases obtenidas y la disparidad externa entre estosgrupos.Estoes,quelasvariablestenganelmayorparecidodentrodeunaclaseentre ellas y que las clases sean tan distintas las unas de las otras como sea


81

posible.Unelementodediferenciaciónentrelasdistintastécnicasseráelmodoenquesevaloreelgradodehomogeneidadinternayheterogeneidadexterna,yseráloquesetendráencuentaparaoptarporunouotrométodo.

Dadoqueelinterésdelaclasificaciónradicaenagrupardentrodelamismaclaseaquellasobservacionesconperfilesen frecuenciadeamplitudcombinadasimilares,sehautilizadoelalgoritmoCiTree[61].Estealgoritmogeneralpuedeparticularizarse de acuerdo a distintas distribuciones estadísticas según elproblemaaresolver.Particularmenteresultandeaplicación,yasíseresaltanenelestudio,lasespecificacionescorrespondientesaladistribuciónNormalparaelcasodegrandesconjuntosdedatos,ladistribucióndePoissonycomoextensióndeesta ladistribuciónMultinomialqueresultadeespecialutilidad,comoenelcaso del presente análisis, para la agrupación de lasmuestras de acuerdo a lasimilituddesusperfiles.

Deentre los resultadosobtenidosde laaplicacióndel algoritmoCiTree, sepresta atención en primer lugar al árbol jerárquico resultante de las distintasagrupaciones(Figura4.5).Enesteárbolserepresentaenelnivelmásinferiorunconjuntodeelementosrepresentativodecadaunodelosregistrosrealizados(94compresores).Elalgoritmodeclasificaciónjerárquicaaglomerativapartedeesteconjunto inicial, y mediante el cálculo de la similitud entre las distintoselementos aglutina en cada paso aquellos3 que mayor proximidad o similitudmuestran. De esta manera el algoritmo aglomera los elementos objeto deestudio, reduciendo progresivamente el número de elementos presentes yaumentando el número de registros que contienen los subconjuntosaglomerados.Enelúltimopaso,naturalmente,sellegaaunúnicoconjuntoquecontienelaglobalidaddelosdatostratados.Esdedestacarquelaunióndelosdistintoselementos,deloselementosconlosaglomerados,ydelosaglomeradoscon otros aglomerados se representa gráficamente en éste árbol de maneraproporcional a la distancia entre ambos. Esto representa una ventaja para elinvestigadorpueselpropioárbolsugierelarepresentatividadquepuedetenerlaclasificaciónsegúnelnúmerodeclasesqueseconsidere;estoes, laalturaa laquesecorteelárbol.

3Dosdecadavez.Otrosalgoritmospermitenlaaglomeraciónmúltipledeunmayornúmerodeelementosencadapaso,noasíenestecasoparticular.


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Figura4.5Árboljerárquicoresultantedelasagrupaciones

Enelcasoqueocupaelpresenteanálisis,elárboldelaFigura4.5sugierelaposiblesignificatividaddeunaclasificaciónen2,3,4,5o6clases.Unaparticiónmás fina apenas puede mejorar los resultados obtenidos y aumenta lacomplejidad del modelo haciéndose por tanto menos interesante. Laobservación de los resultados (datos no recogidos en esta tesis) obtenidos enesterangodevariación,muestraquelosmejoresresultadosfinalesseobtienenenelcortedelárbolen5clases4.

4 Nótese que en este estudio no resulta de interés la calidad en simisma de la configuraciónadoptada,sinoqueelinterésradicaenlacalidadqueaportelaclasificaciónobtenidaalresultadofinalperseguido.Considérese,amododereflexiónilustrativa,elcasoanteriormentecitadodelosdosmodelos lineal y cuadrático y cómo un númeromayor omenor de clases puede resultar


83

Larepresentacióndelosresultadosdelaclasificaciónsepuederepresentarenunconjuntodeplanosproyectivos.Afindequelaproyecciónresultantesealomásclaraposiblesepuedeutilizarcomocriteriodeproyecciónquelaeleccióndeestosplanoscumplalossiguientescriterios:

• Máximacompacidadinternadelasclases

• Máximoalejamientoentreclases

Unmétodoproyecciónquecumpla talescriteriospuedeencontrarseentrelas técnicas de clasificación supervisada, concretamente en el análisisdiscriminantelineal(LDA).Esunatécnicadeaprendizajesupervisadoempleadaparalaclasificacióndedatos.LaideacentraldeLDAesobtenerunaproyecciónde losdatosenunespaciodemenor (o incluso igual)dimensiónque losdatosentrantes, coneldeque la separabilidadde lasclases sea lamayorposible.Esuna técnica supervisada ya que para poder buscar esa proyección se debeentrenarelsistemaconpatronesetiquetados[62].

A diferencia del análisis discriminante cuadrático, en el LDA se realiza unaproyección a través de unamatriz de cambio de base con lo que se obtienenunosnuevosejesdeproyecciónapartirdelacombinaciónlinealdelasvariablesregistradas.Elpesorelativodecadaunadeestasenlosejesproyectivosinformade la importancia de cadaunade ellas en el distanciamiento entre clases. Losejes de este nuevo espacio proyectivo se denominan ejes discriminantes. Estainformaciónadicionalesunadelasventajasqueproporcionaestetipodeanálisisdemaneracomplementariaalpuroestablecimientodeconsignasque,permitanasignanlosnuevosregistrosalasclasesrepresentadas[58].

La proyección LDA de los registros de los compresores de acuerdo con laclasificación proporcionada por el algoritmo CiTree, ofrece una proyección delconjuntodedatosquemuestraunaseparaciónnítidaentrelasclasesobtenidas,loqueconfirmalacalidaddelaclasificaciónrealizada.

indiferente,independientementedelaconcentracióninternadelosdatosdentrodelasclasesydelalejaníaentreclases.


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Figura4.6LDA5clases

Resulta interesantecomprobar laposibilidadde reducir ladimensionalidaddel problema en consideración, mediante la observación de la importanciarelativa de las distintas frecuencias que son registradas por el analizador devibraciones. La Figura 4.7 sugiere que es necesario un número grande defrecuenciasparaconservarun95%delainformaciónpresenteenelconjuntodedatos.Comopuedeverseenlamismafiguranosealcanzael95%deinformaciónhastacomprenderunaltonúmerodefrecuencias(57frecuencias).


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Figura4.7PesosLDA1-4

Estehechosugierequenopodemoscaracterizarlosperfilesregistradosporlos compresores con un número bajo de parámetros, siendo necesario elconcursodealtonúmerodefrecuenciasenordendecrecientedeimportancia.Seidentificaportantoquenoresultademayorutilidadlaaplicacióndetécnicasdereduccióndimensional.

Lasfrecuenciasquecontieneneste95%deinformaciónsecaracterizanpormediodelossiguientesdescriptores:


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FrecuenciaMínimo 62,5HzCuartil1 162,5HzMediana 275,0HzMedia 287,7HzCuartil3 412,4HzMáximo 531,2Hz

Tabla4.3Frecuenciasquecontienenel95%delainformación

Como puede verse en esta tabla, las frecuencias que determinan el perfilcaracterístico no sobrepasan apenas los 500Hz. De este análisis se desprendeque las frecuencias superiores almedio kiloherzio no aportan información conrespectoaltipodeperfilcaracterístico.

Cabe destacar que la quinta clase carece de un número significativo deelementos y que estos además presentan un patrón de comportamientoanómalo. Se descartan por tanto en el resto del análisis al considerarse comoespurios.

Se procede entonces a valorar los resultados obtenidos mediante elalgoritmo de clasificación. Las figuras contenidas en los Anexos del C al G,representanelvalordelaamplitudcombinadademaneraagrupadadeacuerdoa laclasificaciónproporcionadaporelalgoritmoCiTree.Amododeresumen,ycon valor significativo muy importante en cuanto representa el perfilcaracterísticodecadaunadelasclasesidentificadas,semuestraenlasfigurasdela4.6ala4.10,elpromediodelosperfilesdeamplitudcombinadaenelámbitodelafrecuencia.


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Figura4.8Perfil1promediodeamplitudcombinada



88


Figura4.11Perfil4Promediodeamplitudcombinada


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Figura4.12Perfil5Promediodeamplitudcombinada

Deacuerdoaestosperfilespodemosdistinguir:

- PERFIL 1 (Figura 4.8): Perfil en el que la vibración se manifiesta enfrecuencias muy bajas. Se aprecian dos armónicos en los cuales elsegundo armónico presenta una amplitud mayor del doble que elprimero. En cualquier caso se concentrana frecuencias inferiores a los200Hz.

- PERFIL 2 (Figura 4.9): Perfil en el que se aprecian dos armónicos afrecuencias menores que 200 Hz, en los cuales el primer armónicopresentaunaamplitudprácticamenteigualaldoblequeelsegundo.

- PERFIL 3 (Figura 4.10): Se aprecia que los dos primeros armónicosaparecen a frecuencias inferiores a 200 Hz en los cuales el segundoarmónico presenta una amplitud mayor del doble que el primero. Sedetecta un tercer armónico a frecuencias medias, entre 400 y 600 Hzcuyaamplitudescincovecesmenorqueelmayordeellos.


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- PERFIL 4 (Figura 4.11): Perfil que se caracteriza por presentar dosarmónicos a frecuencias inferiores a 200 Hz. El segundo armónico esligeramentesuperioralprimeroaunqueconvaloresdeamplitudinferioral de el resto de perfiles. El resto de armónicos, a medias y altasfrecuencias, presentaunamagnitud comparable entre sí en el entornodelamediaeneserangodefrecuencias.

- PERFIL 5 (Figura 4.12): Perfil que se caracteriza por presentar dosarmónicos a frecuencias inferiores a 200 Hz. El primer armónico esligeramente superior al segundo aunque con valores de amplitudsimilaresalperfilcuatroe inferioraldeel restodeperfiles.El restodearmónicos, a medias y altas frecuencias, presentan una magnitudcomparableentresisalvoalafrecuenciacomprendidaenelentornodelos400Hz.

4.2 ANÁLISISDEVALORESRMS,PICO-PICOYPICO

Unavezrealizadoelanálisisdelosdatoscorrespondientesalasvibracionesdeacuerdoalosvaloresregistradosencadafrecuencia,seprocedeavalorarlaposibilidad de extraer información útil a partir del análisis del resto deparámetrosproporcionadosporelanalizadordevibraciones:

- ValoreficazoRMS

- ValorPicoaPico

- ValorPico

Dichosparámetrosestándefinidoscomo:

- Valor Eficaz más conocido como Amplitud root mean square (Arms),puede definirse como el valor constante que en el mismo períodosupondría la misma energía que la señal registrada. Es el mássignificativode laamplitudporque,a lavez, tieneencuenta lahistoriadelaondaydaunvalordelaamplitudrelacionadodirectamenteconlaenergía y, por ello, con la capacidad destructora de la vibración. Laexpresióndeestevalores:


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Arms =1T

x2 (t)dt0

T

∫ (5)

Donde:

T = Períododelavibración

x = Valorinstantáneodelaseñalenuntiempot.

- Valor Pico a Pico o también denominado amplitud entre picos, es ladistanciadeunacrestanegativahastaunacrestapositiva.Enelcasodeunaondasenoidal,elvalorpicoapicoesexactamentedosveceselvalorpico,yaque la formade laondaessimétrica.Desdeunpuntodevistamecánico indica el recorrido máximo de la pieza, lo cual es muy útilcuando,porejemplo,sudesplazamientoescríticoporlastensionesquesupongaolosespaciosdequesedisponga.

- ValorPico (PK)o tambiéndenominadoamplituddepico,Apeak,máximovalor absoluto que alcanza la variable en el período considerado; estacotadauna ideadelesfuerzoaquepuedeestar sometidoel receptor.Desde un punto de vista mecánico es útil para indicar los niveles dechoquesdecortaduración.Enunafunciónsenoidalsólo indicaelvalormáximoalcanzado,sintomarenconsideraciónlahistoria,eneltiempo,delaonda.

De acuerdo con los resultados obtenidos en el apartado anterior, eranecesaria la participación de un número grande de frecuencias para nodespreciarenelanálisisinformaciónútil.Cabelaposibilidaddequeelanálisisdeestosúltimosparámetros,enespecialelRMSpuesrefleja laenergíatotalde laseñalconsiderada,proporcioneresultadosútiles.

Seconsideraentonceselvalordeestosparámetrosparalos94compresoresydemaneraanálogaalejercicioanteriorserealizaunaclasificacióndelosdatosutilizandoenestecasoelalgoritmoHCLUST(Figura4.13).


92

Figura4.13ÁrbolHCLUST

Alavistadelárbolresultante,sesugierelaposiblepresenciadeunrangode2 a 5 clases. Por analogía con lo visto en el análisis anterior en que seconsideraban las frecuencias, se realiza un corte en 5 clases. La Figura 4.14representa la proyección LDA para los resultados obtenidos por el algoritmoHCLUST.


93

Figura4.14HCLUST5clasesLDA

ComosecompruebaenlaFigura4.14,existeunacorrectaseparacióndelasdistintasclases.

Resultadeinteréscomprobarelcrucedelapertenenciaalasdistintasclasesde acuerdo a la clasificación realizada con el algoritmo CiTree a los datos deamplitud combinada, es decir, datos frecuenciales (C1, C2, C3, C4 y C5) y lallevadaacaboconelalgoritmoHCLUSTa losdatosRMS,PicoaPicoyPico(c1,c2,c3,c4yc5).EstacorrespondenciasemuestraenlasiguienteTabla4.4:


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Tabla4.4Tabulacióncruzada

C1 C2 C3 C4 C5

c1 18 15 18 2 0c2 19 5 3 4 1c3 3 0 0 0 0c4 0 1 0 0 2c5 0 0 0 2 1

El propósito de la tabulación cruzada es simplificar el análisis para laclasificación de los compresores, atendiendo a los algoritmos de clasificaciónsupervisada y no supervisada. Según esta nueva clasificación, las clase 4 y 5contienen,comoenelcasoanterior,lasmedicionesespurias.Lasclases1a3noson capaces en este caso de asemejar la división de perfiles característicosobtenida con la información más rica de los datos que consideraban lasfrecuencias.

Como puede apreciarse fácilmente, la información contenida en estereducido conjunto de parámetros, no es capaz de reproducir fielmente laclasificacióngeneradaalconsiderarelespectrocompletodefrecuencias.

4.3 PERFILESCARACTERÍSTICOS

Resulta de interés indagar en el perfil característico de vibración de loscompresoresanalizadosresaltandosumarcaymodelo.EstainformaciónaparecereflejadaenlaTabla4.5.

Tabla4.5Clasificacióndecompresoressegúnclases

MARCA MODELO NºDECOMPRESORES CLASES(1-5)

BITZER

2CC-4.2Y 1 22CC-3.2Y 2 22EC-3.2Y 1 12FC-2.2Y 1 32FC-3.2Y 1 3


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2GC-2.2Y 1 32HC-2.2Y 2 32JC-07.2Y 6 32JC-07.2Y 1 12KC-05.2Y 7 34DC-5.2Y 1 54EC-6.2Y 2 44FC-3.2Y 1 44FC-5.2Y 1 44T-8.2Y 1 14T-8.2Y 1 4

DWMCOPELAND

D2DL3-750AWM 1 5D2DL3-75XAWM 1 5DKJD-100-EWL 10 1DKJD-100-EWL 1 5DKJP-10X-EWL 1 1DKLC-150-EWL 1 1DKLD-150-EWL 1 1DKMD-51-EWL 1 1DKMD-75-EWL 7 1DKMP-7X-EWL 2 1DKSJC-100-EWL 2 1DKSJD-100-EWL 1 1DKSJD-150-EWL 8 1DKSJP-15X-EWL 1 1DLEE-201-EWL 3 2DLFD-201-EWL 1 1DLFD-201-EWL 1 2DLFE-201-EWL 3 2DLFE-301-EWL 1 2DLJE-301-EWL 1 3DLLE-301-EWL 5 2DLLE-401-EWL 3 2DLLP-30X-EWL 1 2DLLP-40X-EWL 1 4


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DLSGF-401-EWL 1 2DLSGP-40X-EWL 2 4

SINPLACA 2 1PRESTCOLD K150/0025 2 1

Del total de resultados obtenidos se pueden extraer las siguientesconclusionesparaloscompresoresdecadafabricante:

1. Deltotalde lostreintacompresoresBITZER,el10%pertenecena laclase1,el10%alaclase2,el60%alaclase3,el16,7%alaclase4yel 3,3% a la clase 5. Se observa, pues, que la mayoría de loscompresorespertenecena laclase3.Sidistinguimosporelnúmerodecilindros,el78%deloscompresoresdedoscilindrospertenecena la clase 3 mientras que el 71,5% de los de cuatro cilindrospertenecenalaclase4.

2. DeltotaldecompresoresDWMCOPELAND(62),el59,7%pertenecenalaclase1,el29%laclase2,el1,6%alaclase3,el4,8%alaclase4y el 4,8%a la clase5.Deestos resultadospodemosdeducir que lamayoría pertenecen a la Clase 1. Todos los compresores DWMCOPELAND son de 2 cilindros por lo que prácticamente el 60%pertenecenalaclase1.

3. De los compresores PRESTCOLD (2), ambos pertenecen a la clase 1aunque no pueden extraerse conclusiones de peso debido a lamínima representación que suponen sobre el total de loscompresoresmedidos.Esdedestacarque losdoscompresores sonde2cilindrosporloquepertenecenalaclase1.

4.4 ANÁLISISDERESULTADOS

Viendolosresultadossepuedededucirqueloscincopatronesrepresentanel comportamiento en régimen permanente de los CFSA y que,independientementedelfabricante,sepuedepresentarcualquierpatrón.


97

Se puede observar que cada fabricante muestra un comportamientopredominante. Así, los compresores de lamarca BITZER tiende a comportarsesegúnelpatrónde laclase3paradoscilindrosyde laclase4para4cilindros,paraloscompresoresdelamarcaDWMCOPELANDtiendenacomportarsesegúnelpatróndelaclase1aligualqueloscompresoresPRESTCOLD.

PartiendodelaTabla4.4,serealizaunaclasificación,estavezdelassalasdemáquinas, para intentar determinar aquellas sala de máquinas que puedencontenerlasposiblesmedidasespurias(verTabla4.6).

Tabla4.6Clasificacióndelassalasdemáquinassegúnclases

SALADEMÁQUINAS Nºdecompresores/Clase

SanAgustín2/Clase12/Clase2

MarquesesdeSanIsidro

6/Clase13/Clase2

FrayLuisdeLeón1/Clase15/Clase31/Clase4

PendóndeBaeza2/Clase24/Clase31/Clase4

LuisCarmona

1/Clase11/Clase23/Clase31/Clase5

LopedeVega4/Clase14/Clase2

Puentecilla

2/Clase11/Clase22/Clase31/Clase41/Clase5


98

SALADEMÁQUINAS Nºdecompresores/Clase

Colón3/Clase12/Clase2

SanMamésI

5/Clase12/Clase21/Clase41/Clase5

SanMamésII5/Clase12/Clase2

18dejulio2/Clase12/Clase4

JoséMaríaFernández4/Clase11/Clase21/Clase5

MarianoAndrés4/Clase11/Clase21/Clase3

ErasdeRenueva1/Clase16/Clase32/Clase4

De la Tabla 4.6 se desprende que, del total de compresores medidos yanalizados(94),nuevedeellospertenecenalaclase4ycuatrodeellosalaclase5. Esto suponeun9,6%yun4,3% respectivamente. Se tratadeunporcentajemuypocorepresentativosobreelglobal.

Además se puede observar que los compresores de las clases 4 y 5 no seconcentrandemanerasignificativaenningunasalademáquinas,por loquesedescartalahipótesisdequedichosperfilespuedandeberseacausasinherentesalassalasdemáquinaseindependientesdeloscompresores,comopudieraserel estado de conservación general de las salas, el inadecuadomantenimiento,bancadasdefectuosas,elementosantivibratoriosinadecuados,etc.

Analizando los resultados y las diferentes clasificaciones realizadas seobservaque,loscompresoresdecaracterísticastermodinámicasyconstructivas


99

similares,pero fabricadospordiferentesempresas,nose incluyenen lamismaclase necesariamente. Los compresores de dos cilindros en línea de la marcaCOPELAND presentan un comportamiento vibracional propio de la clase 1mientras que los compresores de dos cilindros en línea de lamarca BITZER seengloban en la clase 3. Esta diferenciación de clases entre los dos fabricantespuede deberse a factores de funcionamiento inherentes a los compresores,como puede ser el régimen de funcionamiento, desplazamiento volumétrico ypotenciafrigorífica,oloqueeslomismo,loscompresorespuedenseridénticosconstructivamente hablando pero con tolerancias muy estrechas ante ligerasvariacionesrespectoasufuncionamiento.

Sinosfijamosdetenidamenteenlasdiferenciasentrelaclaseoperfil1ylaclaseoperfil3 (verFigura4.8yFigura4.10)ambasmuestran losdosprimerosarmónicosafrecuenciasinferioresa200Hzyelsegundoarmónicopresentaunaamplitudmayorqueel primero. Ladiferenciaprincipal radicaenel valorde laamplitudde ambos armónicos y en la presencia, en el casodel perfil 3, deuntercer armónico, a frecuencias intermedias, pero con un valor de amplitud nodestacablefrentealrestodefrecuenciassuperioresalos200Hz.Estonosindicaque ambos espectros vibracionales tienen una huella característica muyparecida.

Para concluir se puede observar que, independientemente de la clase operfilalaquepuedapertenecercadaunodelosCFSAanalizados,cabedestacarque la principal diferencia entre sus espectros característicos radica en laamplitud de sus dos primeros armónicos y en cual de los dos tiene mayoramplitud.

Estos resultados nos permiten conocer si un CFSA, de las característicasestudiadas, está trabajando correctamente o bien hay una avería en estadoincipiente.

5

CONCLUSIONES

Enestecapítuloseexponenlasconclusionesdeestatesis.Porotrapartesedetallanlasposibleslíneasdeinvestigaciónquepuedenabrirnuevaspistasparaelfuturo.

Capítulo5.-Conclusiones

102

5.1 CONCLUSIONES

1. Sehadiseñadounmétodoparaestablecer in situunpatrónvibracionalde compresores frigoríficos semiherméticos alternativos (CFSA) en elcampodelageneracióndefríoanivelindustrial.Estepatróncaracterizaelcomportamientodelosmismoscuandoestánfuncionandoenrégimenpermanente.

2. Se han generado cinco firmas espectrales o perfiles diferentes decomportamiento de los CFSA. Estas firmas se diferencian,fundamentalmente, en las frecuencias y amplitudes de sus diferentesarmónicos.

3. Se ha diseñado una técnica para medir vibraciones en los CFSA quecontempla convenios generales basados en la normativa vigente yconvenios particulares adecuados para determinar las posiciones y lasdirecciones de medida, así como los sistemas de fijación de lostransductores.

4. Sehaobservadoqueel95%de la informacióndelpatrónvibracionaldeunCFSAaparecepordebajodelabandadefrecuenciade500Hz,loquesimplifica el trabajo de análisis y el tiempo requerido por parte delanalista.

5. Se ha podido comprobar que las cinco firmas espectrales obtenidas serepartendemanerahomogéneaenlasdiferentessalasdemáquinas.Estopermite deducir que las condiciones de las salas de máquinas no sondecisoriasalahoradeclasificarloscompresoresenfuncióndelespectrovibracionalobtenido.

6. SehanaplicadoalgoritmosdeclasificaciónsupervisadaynosupervisadaalcampodelmantenimientodelosCFSA.

Capítulo5.-Conclusiones

103

5.2 LÍNEASDETRABAJOFUTURO

1. RelacionarlaantigüedaddelosCFSAconlaobtencióndelospatronesde

comportamiento, con el objeto de obtener espectros vibracionalesrepresentativosdeesaantigüedad.

2. Utilizarcompresoresdemayorespotenciasfrigoríficas,buscandoconocersucomportamientovibratorioencondicionescríticasdefuncionamientoysiesoscomportamientosseadaptanalospatronesyaobtenidos.

3. Recopilar, en relación con el mantenimiento predictivo, medicionescorrespondientes a compresores que presenten estadios iniciales defallos a fin de desarrollar un entorno de predicción de fallo. Estasmedicionespodránseraccesiblesalpúblicogeneralparafacilitarlatareaalosinvestigadoresinteresadosenrealizarestudiosulterioresenrelaciónconlosespectrosvibracionales.

4. Utilizar las herramientas de la Inteligencia Artificial y del AprendizajeMáquina para desarrollar una aplicación adecuada para la toma dedecisionesdemantenimientoapartirdelasmedidasdevibraciones.

6

BIBLIOGRAFÍA

Capítulo6.-Bibliografía

106

BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOA

Espectrosdevibraciones

SantaNonia

AnexoA.EspectrodevibracionesSantaNonia

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ANEXOB

Espectrosdevibraciones

delrestodecompresores

AnexoB.Espectrodevibracionesdelrestodecompresores

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ANEXOC

AmplitudcombinadaXY

Perfil1

AnexoC.-AmplitudcombinadaXY-perfil1

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ANEXOD

AmplitudcombinadaXY

Perfil2

AnexoD.-AmplitudcombinadaXY-Perfil2

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ANEXOE

AmplitudcombinadaXY

Perfil3

AnexoE.-AmplitudcombinadaXY-Perfil3

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ANEXOF

AmplitudcombinadaXY

Perfil4

AnexoF.-AmplitudcombinadaXY-Perfil4

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ANEXOG

AmplitudcombinadaXY

Perfil5

AnexoG.-AmplitudcombinadaXY-Perfil5

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