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MEDICION Y ANALISIS DE
VIBRACIONES
Prof. Sergio E. Diaz ([email protected])
Laboratorio de Dinamica de Maquinas
Universidad Simon Bolivar
http://www.ldm.laba.usb.ve
Especializacin en Confiabilidad Operacional
Universidad Simon Bolivar, Octubre 2001
Medicin y Anlisis
de Vibraciones
Procesos de Deterioro I:
Prof. Sergio E. DiazLaboratorio de Dinmica de Mquinas
Universidad Simon Bolivar
(212) 906 4136
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
NEGOCIO(generacin de riqueza y bienestar)
Deterioro de su Condicin:
degradacin qumica y/o mecnica
que afecta su operatividad
PRODUCCION de Bienes y/o Servicios
OPERACION de plantas y/o equipos
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Deterioro de la Condicin de Equipos-Estticos
-Dinmicos
ES CUANTIFICABLE!!!!!!
Proceso Gradual Progresivo demodificacin de las condiciones de operacin
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VIBRACIONES
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Monitoreo de la Condicin
Medicin sistemticade variables asociadas e
indicativas de la condicin del equipo:
Niveles de Vibracin
T emp er atura
Espesores de Pared
Contaminacin de fluidos
Propiedades del lubricante
etc.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Monitoreo Sistemtico de la Condicin
Confiabilidad Operacional
Registro Histrico de la Condicin del Equipo
Identificacin de Tendencias
No Hay Sorpresas
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Mecanismos de Deterioro
Variables Asociadas o Indicadoras
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VIBRACIONES
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Mecanismos de Deterioro
Desgaste o Modificacin dimensional
Erosin o prdida de material
Degradacin qumica o mecnica, prdida de propiedades
(fatiga, reaccin qumica, corrosin, envejecimiento)
Acumulacin de sedimentos o intrusiones
Problemas de operacin
otros
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Variables Asociadas e Indicadores
Vibracin
Temperatura
Propiedades de Aceites
Espesores de Pared
Presencia de contaminantes
Resistencia Elctrica
Parmetros operativos (presiones de entrada, salida e
intermedias, caudal o flujo, velocidad, calidad del producto
final)
RuidoOtras.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Tcnicas de Monitoreo
Anlisis de vibraciones
Anlisis Tribolgico o de aceites
Termografa
UltrasonidoLiquido penetrante
Resistencia Elctrica
Flujo Magntico, corriente
Anlisis visual (boroscopio)
Registro de Variables de proceso
Otras.
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VIBRACIONES
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Tcnicas de Monitoreo
Ninguna proporciona la verdad absoluta
Ninguna es completa por si sola
Es necesario combinarlas eficientemente para asegurar
una determinacin confiable de la c ondicin.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Tcnicas de Monitoreo
Todas permiten cuantificar de alguna manera la
condicin del equipo
Es posible establecer niveles y patrones (n umricos)
aceptables o normales de funcionamiento
Permiten fijar niveles de alarma basados en
especificaciones del fabricante, normas y/o experiencia
previa
Por anlisis de tendencias es posible predecir el
comportamiento futuro y la posibilidad de una falla dentro
de ciertos rangos de confiabilidad.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Identificacin de Procesos de Deterioro
ms comunes
Planta
Equipos Dinmicos Equipos estticos Instrumentation
Turbomaquinas Bombas Valvulas tuberias
rbol Lgico de Falla
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VIBRACIONES
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Medicin y Anlisis de Vibraciones
Permite cuantificar el deterioro o la condicin de equipos
dinmicos
Permite discernir entre diferentes causas de problemas
Permite establecer la severidad
Permite, por medio del establecimiento de tendencias,
predecir posibles fallas.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Medicin y Anlisis de Vibraciones
Por que vibran las maquinas?
Qu caractersticas diferencian su comportamiento?
Como puede medirse y analizarse la vibracin de una
maquina?
Como puede relacionarse la vibracin medida con la
condicin de los componentes de la maquina?
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Causas de Vibracin
Desbalanceo
Eje doblado
Desalineacin
Inestabilidad hidrodinmica (en cojinetes, sellos o rodetes)Desgaste o daos en elementos tribologicos (rodamientos,
engranajes, cojinetes, acoplamientos)
Roce entre partes en rotaciony estacionarias
Holgura mecanica excesiva
Apriete inadecuado
Resonancias estructurales
Grietas en los rotores
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
VIBRACION
Ejemplo:Pndulo
Generalmente se transforma energa
potencial en energa cintica.
Se rigen bajo la ecuacin:
MX'' + CX' + KX = F(t)
Es un movimiento oscilatorio que puede
o no ser peridico (ocupa la misma posicin
en un mismo tiempo).
ACUMULADORES DE ENERGIA
A) Energa Cintica
-Masa
-Volantes inercia
Partcula
Cuerpo rgido
B) Energa Potencial
-Resorte
-Masa
-Elementos elsticos
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Algunos sistemas pueden utilizar mtodos de anlisis
que puedan llevarlos a ser lineales siendo originalmente
no-lineales , pero muchos otros tendrn que ser analizados
en forma no-lineal
NOTA:
M
K
xxPIRPEE
Anlisis de la ecuacin:
La respuesta es de la forma:
X(t) = Xh(t) + Xp(t)
M X(t)'' + C X(t)' + K X(t) = F(t)
... Xh Respuesta Homognea
... Xp Respuesta Particular
* Amplitud RMS est relacionada con la energa
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DE VIBRACIONES
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 1 2 3 4 5 6
t
X
Amplitud Cero-Pico
OFFSET
T = 1/f
Amplitud Pico-Pico
XoPEE
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
CONCEPTOS BASICOS DE VIBRACIONES:
F(t)
Peridicas
No peridicas
Armnica simple
Armnica compuesta
)sen()(0
+= tFtF
)sen()sen()( 222111 +++= tFtFtF
Las funciones peridicas pueden representarse
utilizando series de Fourier.
NOTA
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
ti
p eDttBtAtX
=+=+= )sen()cos()sen()(
K ... FACTOR DE AMPLIFICACION DINAMICO
( ) ( )222
0
21
1
)sen(!)(
rr
tk
FtXp
+
=
+=
)sen(''' 0 tFkXCXXM =++
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n
r
=
=
2
1
1
2
r
rtan
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
RETRASO DE FASE
Mk
C
=
2
k
Fo
=
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
FRECUENCIAS
M
kn =
21 = nd
221 = nc
( ) 10011100 2 ==
n
dnError
FRECUENCIA NATURAL
FRECUENCIA AMORTIGUADA
FRECUENCIA CRITICA
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
MEDICION DE LA FRECUENCIA NATURAL
Xo
Tr
( ) ( )222
0
21
1
)sen(!)(
rr
tk
FtXp
+
=
+=
Fo/ k
Fo/ k
La n no puede ser determinada experimentalmente, ya que no existe sistema
real que no presente amortiguacion en lo absoluto. Para determinarn es nece-
sario determinard o critico empleando las ecuaciones anteriores.
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
SISTEMAS DE MULTIPLES GRADOS DE LIBERTAD
n ... Nmero de grados de libertad
Mnxn{x''}n+ Cnxn{x'}n+ Knxn{x}n= {F(t)}n
{x} = {} e it
[M]{x''}+[K]{x} = {F(t)} - [C]{x'}
Por analoga {x(t)} = {xh(t)} + {xp(t)}
Solucin homognea: {xh(t)} = {X} eit {xh'(t)} = i{X} e
it
{xh''(t)} = -2{X} e it
[-2 M +K]{X} e it = {0}
F(t)
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Solucin particular:
F(t) = {F}e it M{x''}+ C{x'}+ K{x} = {F}e it
[-2 M+i C + K]{X}e it = {F}e it {X} = [-2 M+i C + K]-1{F}
x
c2c1
bi1p1
bi2p2
xi(t) = bi1p1 + bi2p2 + ... +binpn
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
MEDICION DE LA VIBRACION
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VIBRACIONES
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DE VIBRACIONES
Sistemas Analizados
PASIVOS
ACTIVOS
No necesitan un excitador
Para vibrar necesitan ser excitados
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
X
LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer)
Ncleo Ferromagntico
Vs
Vo
(AC)
Bobina PrimariaBobina secundaria
Rango lineal
x
Mide el desplazamiento absoluto ya que la carcasa seencuentra fija a tierra
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DE VIBRACIONES
Transductor de proximidad de reluctancia variable
x
Vs
Material Ferromagntico
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DE VIBRACIONES
Transductor de Resistencia Variable
Vs
L
x
VoL
xVs =
Vo
Rm
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Corrientes de Eddy (Sensor de proximidad)
Condicionador10-100MHz
V
d
ProbetaV
d
Rango de operacin
No necesitan contacto fsico y por ello son muy utilizados
en la medicin de vibraciones en ejes
Material Ferromagntico
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
M
C K
y
s
Transductores Ssmicos: Sismgrafo
X
Entrada * F.T. = Salida
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VIBRACIONES
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M
Vibrmetros
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Masa Ssmica
(Imn Permanente)
X
Vs
No necesitan amplificador
Son de gran tamao
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Acelermetros
M
Masa Ssmica
Cristal
Piezoelctrico
Vs, q
Necesitan amplificador
Son pequeos
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Criterios de Aplicabilidad
Acelermetro
Vibrmetro
Proximitor
1 Hz 10 KHz 30 KHz
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VIBRACIONES
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DE VIBRACIONES
Celdas de Carga
Cristal
Piezoelctrico
Vs, q
Este tipo de instrumento NO sirve para
realizar mediciones de seales estticas.
F
F
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Instrumentos Para Generar Excitacin
Inerciales:
F=Fo*sen(t)
La fuerza se produce por eldesbalance.
Los dos discos deben estaracoplados para rotar a lamisma velocidad.
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Shaker Electromagntico
F=Fo*sen(t)
La fuerza se produce por
variacin del campo magnticoMucho ms verstiles que
los inerciales
V2
V1
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VIBRACIONES
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MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Martillo de Impacto
Celda de Carga
N
Las frecuencias excitadasdependen del tipo de impacto
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
Montaje de Sensores
... ApernadoTornillo
... Cera de abejaCera
... Epoxy
Base con tornillo
Epoxy
(2000 Hz)
(1500 Hz)
MEDICION Y ANALISIS
DE VIBRACIONES
... Cinta AdhesivaCinta
Imn
Punta
... Base Magntica
... Jinete
(1000 Hz)
(500 Hz)
(300 Hz)