DIAGNSTICO de EQUIPOS ROTATIVOS

DIAGNSTICO de EQUIPOS ROTATIVOS

PRESENTACINTenemos sumo agrado en presentar, para los asistentes a nuestros cursos, este Manual de Diagnstico de Equipos Rotativos, en el cual hemos reunido una cantidad apreciable de nuestra experiencia en terreno en industrias y mineras.

Los contenidos que aqu se exponen son el resultado de investigaciones y labores en terreno en los cuales hemos contado con instrumentacin de primera categora, a la vez que la atenta colaboracin de las empresas, en especial RT, Chuqui, Salvador, Teniente y Andina; Quebrada Blanca, SQM, Pacfico, Pelambres, Cenizas, Corpesca, Paneles Arauco y Fepasa que nos han hecho el honor de solicitar nuestras asesoras.

Deseamos destacar que la tecnologa del vibroanlisis la hemos adoptado conscientemente para la solucin de los problemas que se presentan en la condicin mecnica de los equipos. Nuestra definicin ha estado basada en realidades positivas que han emergido de nuestra larga experiencia en mantenimiento industrial. La forma en que la tecnologa del vibroanlisis para el mantenimiento predictivo ha penetrado en Chile es un ejemplo de utilidad para otros pases de Sudamrica que hemos visitado para prestar asesora y dar capacitacin. Es este el momento ms preciso, entonces, para plantear en forma profesional el tema del diagnstico de la condicin mecnica de los equipos que estn siendo inspeccionados con las tcnicas del vibroanlisis.

No estamos ciertamente dictando en este manual una norma irredargible sobre el diagnstico de motores, bombas, molinos, ventiladores, agitadores, reductores, sino que relatamos nuestra experiencia que est matizada de mltiples aciertos, junto a insuficiencias que nos han forzado a profundizar nuestro conocimiento de las mquinas. Nuestra mxima es, por ello, en este tema, que la experiencia de terreno vale ms que aos de estudios tericos. Deseamos en todo caso agradecer al sinnmero de ejecutivos, ingenieros y tcnicos de las ms prestigiosas empresas chilenas de cuya experiencia y entusiasmo en el trabajo de mantenimiento hemos obtenido decidores y prcticos resultados.

MANUAL DER

DIAGNSTICO de EQUIPOS ROTATIVOS

NDICECap.

CONTENIDOS

Pg. 1.

IDENTIFICACIN y NATURALEZA de VIBRACIONES3

2.

DIAGNSTICO del DESBALANCEO de ROTORES

16

3.

PROBLEMAS de RESONANCIAS ESTRUCTURALES29

4.

EFECTOS de FUERZAS AEROHIDRODINMICAS

39

5.

DIAGNSTICO de DESALINEACIN de ROTORES 64

6.

DEFECTOLOGA BSICA de RODAMIENTOS 71

7.

PROBLEMTICA de ENGRANES y ENDENTADOS

84

8.

FUERZAS en MOTORES ELCTRICOS

101

9.

DIAGNSTICO de SOLTURAS MECNICAS

111

CAPTULO 1NATURALEZA e IDENTIFICACIN

de las VIBRACIONES

NATURALEZA e IDENTIFICACIN de VIBRACIONESLa energa que consume la maquinaria se aprovecha en una gran proporcin en realizar trabajo til, ya sea en la forma de proporcionar torque a ejes rotantes, empuje axial a pistones o a otros desplazamientos. Pero hay una proporcin menor que falta para completar un 100% de rendimiento y que se desgasta en rozamientos, deformaciones de los componentes y vibraciones en los cojinetes. Estas prdidas parecen intiles e indeseables y todos soamos con eficiencias mayores y talvez totales. Pero no todo es derroche y frustracin para los exigentes como queremos serlo todos nosotros, pues hay novedades de importancia en relacin con esos trnsfugas de la energa. Por cierto los rozamientos se atenan mucho hoy con la lubricacin, que cada da es ms eficaz y sofisticada, no slo en sus mecanismos automticos y servo-controlados, sino tambin en la naturaleza, composicin, propiedades y calidad de los propios lubricantes. Ello ha contribuido a reducir, en casos que ya conocemos, hasta fracciones bastante menores de un 1%. En cuanto a las deformaciones, cada vez se ha ido progresando en materia de incrementos de la resiliencia o capacidad para absorber esfuerzos sin deformaciones definitivas sino un juego de vaivn que incluso puede fortalecer ciertas propiedades elstico-resistivas si se las mesura. Y finalmente la vibracin est siendo utilizada como un poderoso informador sobre la condicin electromecnica de los componentes de la mquina.

1. NATURALEZA de la VIBRACIN

La vibracin es claramente una expresin externalizante de la condicin en que se encuentran los componentes internos de una mquina. Sin duda que una vibracin produce inquietud en el entorno. Es, o debe ser, similar al temor que despierta un temblor en la tierra. Y, similarmente a dicho caso, el problema no es en s el temblor o la vibracin, sino el defecto que est provocndolo. Por ello deberamos pensar siempre, o casi siempre, que una vibracin es una conducta indeseable en una mquina y que la ausencia de vibracin apreciable es un signo real de un suave girar y trabajar de los equipos. Conocer la conducta interior de los equipos es una aspiracin muy sentida por todos los especialistas electro-mecnicos de hoy y es uno de los mayores limitantes en su combate a las fallas. Este conocimiento no slo debiera ser esttico; como sucedera al introducir un endoscopio por algn orificio de una turbina, un reductor de velocidades o un motor diesel, y as espiar en sus internos; sino dinmico, o sea, conocer la forma en que se est produciendo la lesin, su evolucin y sus caractersticas. Mirar a travs de un endoscopio nos da el dato puntual que hay un cierto desgaste o un cierto desprendimiento. Esto es una informacin importante pero demasiado escueta. Es slo una foto y no la historia de un devenir que es lo que realmente necesitamos. Precisamos conocer la forma en que se gener, el desarrollo del problema y sus tendencias, para no slo actuar antes de una falla destructiva y programar una intervencin en un momento conveniente; sino esencial y principalmente para prevenir el desencadenamiento gravoso de la falla a travs de una adopcin de medidas pro-activas que acten sobre los orgenes del problema.

Esto que necesitamos slo lo puede proporcionar el anlisis vibracional, por su potencia y su calidad de complejo fsico-matemtico tan variado que abarca y condensa todas las expresiones dinmicas del equipo y sus componentes tanto naturales como traumticas. De hecho la vibracin es un vector complejo que responde en forma muy directa y lineal a las variaciones y singularidades de las fuerzas actuantes en el interior de la maquinaria. Dicho vector es resultado o resultante de la suma vectorial de todos los vectores componentes cada uno con una direccin y unas propiedades que son respuestas consecuentes de las excitaciones. Tambin se expresa la vibracin como una onda mecnica compleja que corresponde a una suma de ondas simples y armnicas con una fundamental (en la velocidad de giro de la mquina) Cada una de dichas ondas senoidales simples posee unas frecuencia y amplitud absolutas y una fase referenciada. De este modo la onda compleja tiene en su composicin a cada una de dichas ondas simples.

A mediados del siglo XIX Fourier, gran matemtico francs descubri que dichas expresiones complejas podan descomponerse en una serie infinita de ondas senoidales simples y armnicas entre s. A estas se las denomina componentes frecuenciales de la onda compleja. Tambin Fourier trat el tema de las funciones complejas no-armnicas y mediante un artificio matemtico las transform en armnicas mediante la operacin integradora denominada Transformada de Fourier. Gran cosa, pero lo avanzado por Fourier fue de poca utilidad en mucho tiempo, dado que trabajar esos complejos procesos de clculo con lpiz y papel e incluso con calculadoras mecnicas era muy difcil, trabajoso, lento y caro. No fue sino hasta mediados del siglo XX en que la invencin del micro-procesador (en el MIT) hizo posible realizar millones de operaciones por segundo. Ello permiti la construccin y uso de Analizadores de Seales Dinmicas que resolvieran el problema y facilitaran el Anlisis Frecuencial de nuestros das.

2. PREDICTIVIDAD VIBRACIONAL

Cuando nos encontramos en terreno con la necesidad de conocer el real estado interior de los componentes de una mquina, podemos recurrir a varios sntomas que pueden ser captados por nuestros sentidos o medidos con instrumentos. Ellos son: Temperaturas, presiones, flujos, ruidos, cargas elctricas, torques, particulado de aceites, vibraciones y otros. El examen de la utilidad real de cada uno de ellos nos ha llevado a la conclusin que slo la vibracin transmitida a travs de slidos (y el ruido que es lo mismo pero transmitido por el aire) y recogida en los cojinetes de la propia mquina tiene atributos de excelencia en la linealidad de sus respuestas y en la predictividad de sus tendencias.

Nos explicaremos. Es demostrable en forma prctica que la amplitud vibracional, o sea, su severidad, para cada una de las frecuencias excitadas se conduce linealmente o sea proporcionalmente con la fuerza interna que las excita desde el componente afectado. O sea, ante un incremento de un 20% de la fuerza o magnitud del defecto, la vibracin correspondiente experimenta un alza de amplitud tambin de un 20%.

Y esto es muy favorable sobretodo en las etapas iniciales del fenmeno anmalo, lo cual adecuadamente informado, permite actuar preventiva y curativamente ya sea con re-lubricaciones, micro-ajustes de juegos y otras actuaciones de ndole menor, pero muy salvficas. No sucede lo mismo con el resto de los sntomas, que en general, slo experimentan alzas de cierta importancia cuando el defecto interior es ya muy grave y por ello cualquier actuacin es slo correctiva e invasiva, y por ello tarda y costosa en tiempos y dineros.

3. FUENTES VIBRACIONALES

Estas fuentes ligadas a zonas estructurales y operativas de la maquinaria, son:

Accionamiento: Equipo que proporciona la potencia motriz que puede ser: motor elctrico, turbina, motor diesel, motor hidrulico, motor neumtico.

Transmisin: Corresponde a machones, uniones, cadenas, acoplamientos, engranajes, poleas, correas, reductores.

Mquina: Es la unidad accionada: bombas, compresores, ventiladores, tornillos, refinadores, molinos, espesadores, alimentadores, cintas, agitadores.

Conduccin: Se trata de las instalaciones de transporte enclaustrado de termo-fluidos: son ductos, caeras, mangueras y tuberas, con sus singularidades.

Fluido: Lquido o gas transportado y sus caractersticas fsico-qumicas.

4. CAUSAS GENERALES de las VIBRACIONES

Se producen problemas que derivan en vibraciones exageradas cuando despus de la seleccin y compra del equipo, se termina instalando uno que no corresponde a las condiciones operativas. La consecuencia, en caso de sobre-dimensionamiento, son vibraciones por recirculacin o estrangulamiento en los sistemas hidrulicos, neumticos y de control, volutas y conductos de descarga; cavitacin en bombas y otras. Contrariamente, el equipo subdimensionado vibra por sobrecarga o sobre-velocidad.

Los componentes mecnicos pueden deformarse o cambiar de posicin por defectos en su fundacin, instalacin y montaje. Un principio clave del montaje de mquinas es que su terreno de fundacin y el apoyo de concreto sean slidos y estables. Es inadmisible fundar en terreno sin preparacin y bajos valores de resistencia mecnica, pues derivan en amplificacin de las vibraciones. Para evitarlo es importante disearlas tomando en cuenta las fuerzas dinmicas y estticas que soportarn y con la rigidez requerida para absorber las cargas axiales, transversales y torsionales de las mquinas recprocas y rotatorias.

Posteriormente durante la construccin ellos deben ser inspeccionadas por los propios diseadores y calculistas. Asimismo despus de la puesta en marcha es de conveniencia hacer chequeos no destructivos de su eficacia. En la placa basal se ha radicado el origen de bruscas amplificaciones de vibracin. Para disminuir tales problemas, se las debe inspeccionar por si estuvieran mal colocadas en el concreto o con superficies disparejas o puntos altos. Lo mismo debe hacerse con las bases de las mquinas que deben estar en un mismo plano horizontal. La nivelacin precisa es clave. Enflanchamientos inadecuados provocan tensiones en las caeras de conexin, deformacin de las carcasas en los puntos de amarre, transmisin exagerada y deformada de vibraciones y descentramiento y prdida de calidad dinmica de las soportaciones. Ya sea por juegos excesivos de las partes mecnicas, por deformaciones estructurales, por defectos de calidad de montaje o por desgaste metlico, se producen solturas que se van agravando y que se expresan como ruidos o como vibracin de relacin no lineal.

Para determinar la causa de las vibraciones es necesario comparar los datos obtenidos en la medicin de la vibracin, en especial el espectro frecuencial, con las mediciones anteriores y con los patrones reconocidos por la experiencia para mquinas de la misma naturaleza. La manera en que estos datos se relacionan indica la causa ms probable de acuerdo a ciertas pautas definidas por nuestra experiencia y por las consideraciones terico-experimentales que hemos realizado en 35 aos de trabajo directo en la industria y la minera en Chile y otros pases. Hemos resumido nuestro acervo histrico en los cuadros que se adjuntan sobre: Mapeo de Residencias Vibracionales y Familias de Problemas Dinmicos. Para complementar la dicha informacin, comentamos a continuacin las principales causas especficas de las vibraciones.

5. VIBRACIN por DESBALANCEO MSICOSe presenta debido a la distribucin desigual de las masas de un rotor. Puede deberse a acoplamientos con pernos de distinto largo o perforaciones sin la tolerancia correcta; chavetas mal dimensionadas; rotores mal armados, o desgastes, roturas o deformaciones en los rodetes. Tambin se crea un falso desequilibrio por efecto de factores ligados a la dinmica de los fluidos impulsados, creados en casos por descarga dispareja desde los labes del rodete, por defectos constructivos, operacin fuera de rango u obstruccin por cuerpo extrao. La frecuencia del pico vibratorio principal es igual a la velocidad de rotacin del eje. Su amplitud es proporcional al desbalanceo presente. La amplitud y la frecuencia son estables y el ngulo de desfase del vector rotativo generado respecto a la referencia etiquetada tambin lo es. Si las RPM varan, el pico principal se desplaza en el espectro en la misma direccin. La fase permanece. El desequilibrio rotativo puede provenir de defectos de fabricacin, maquinado o montaje; o haber provenido de severas y cambiantes condiciones operativas: choques trmicos deformantes de la geometra del diseo original del rotor. Tambin se origina en prdidas msicas irregulares o incrustaciones con agentes del propio fluido transportado o procesado.

La correccin del desequilibrio por lo general es posible con la compensacin del vector fuerza desbalanceador, por el efecto dinmico de una masa calculada y posicionada en las antpodas del causante.

6. VIBRACIN por DESALINEACIN de EJESNo es fcil conseguir que se entregue un conjunto con correcta alineacin de ejes. Mas, aunque la alineacin inicial de los ejes de las mquinas acopladas se haga con el mximo de precauciones, se producen desalineaciones durante el trabajo por anclajes sueltos o inestables, cargas externas de las caeras, desgaste de los cojinetes o movimientos por cambios de temperatura. En mquinas acopladas directamente a sus motores la desalineacin puede ser radial-paralela, axial-angular o total. En tal caso el espectro muestra crecimiento de la frecuencia 2xRPM en la direccin y sentido afectado. El ngulo de fase de esta segunda armnica es estable. La medicin utilizada para diagnosticar y evaluar ha de ser aquella recogida sobre los cojinetes cercanos al acople o polea para la deteccin de desalineaciones radiales y en los cojinetes de fijacin axial para las desalineaciones angulares. Lo dicho es vlido para desalineaciones de rigor medio. Mas, para desalineaciones groseras, la caracterstica espectral presenta la aparicin de vectores armnicos 3x y 4xRPM, debido bsicamente a la no-linealidad mecnica de la relacin excitacin-respuesta en estos casos. La situacin de eje flectado puede confundir: si es suave simula un desequilibrio msico; si severo genera los mismos sntomas que una desalineacin total. Debe comprobarse con gramil o comparador de dial directo al eje rotndolo a mano. En el caso de desalineacin entre cojinete y eje se interpretar del siguiente modo: Para cojinetes lisos se tratar como problema hidromecnico. En rodamientos los sntomas corresponden a desalineacin axial. Si en los casos mencionados existiera, adems, desbalanceo, se presentaran vibraciones radiales y axiales en el descanso, siendo la vibracin axial ms baja que la radial. Para comprobarlo se recomienda estudiar con precisin el espectro y comprobar la forma en que se conduce el ngulo de fase en los cuatro cojinetes. Tambin puede haber falta de escuadra entre eje y acople o polea, o no-perpendicularidad entre eje y plano del rodete. En dichos casos la armnica 2xRPM tiene una fuerte manifestacin axial similar a la desalineacin angular. En el caso de transmisin por correas la desalineacin paralelo de las poleas genera una seal axial con fuerte componente 1xRPM con fase estable. A su vez una desalineacin angular de las poleas genera un vector vibracional 1xRPM de componentes radial y axial.

7. VIBRACIN por EXCENTRICIDAD ROTRICALa excentricidad del rotor se define como la falta de coincidencia entre el centro del eje y el centro geomtrico del rotor. Es con evidencia ms bien un defecto mecnico de fabricacin. Su solucin debe implicar re-fabricaciones o recambio. En un impulsor excntrico, se genera una fuerza debida al desplazamiento desigual de masas dentro de la carcaza, que crea una pulsacin sobre el fluido generalmente a 1*RPM.

En un motor elctrico con rotor descentrado, se produce una fuerza rotativa variable entre el rotor y el estator por variacin del campo magntico, cuya vibracin tiene una frecuencia 1*RPMcm: o sea a la velocidad de giro del campo magntico. Sin embargo otra fuerza conservativa se induce por desequilibrio msico rotativo y esta genera una seal de frecuencia 1*RPMr o sea a la velocidad de giro del rotor mecnico. La primera desaparece al des-energizar. La otra persiste mientras haya movimiento.

8. VIBRACIN por RODAMIENTOS DAADOSEl desgaste y la fatiga de los elementos o pistas de los rodamientos, defectos de montaje, instalacin de tipos no originales, modificaciones en los ejes y cajas de alojamiento o lubricacin inadecuada, generan vibraciones. Si el origen de la vibracin es pista alterada o rayada o rodillos deteriorados la vibracin ser evolutiva y compleja ya que, a medida que se agrava la falla, llenar el espectro de lneas representativas de seales inestables en magnitud, frecuencia y fase. Finalmente, cuando la falla deriva en una fisura franca y finalmente un crter que justifica plenamente el cambio del rodamiento, aparece una seal de ancha banda en altas frecuencias. Ello corresponde a frecuencias naturales excitadas por golpes fuertes de los elementos rotativos al pasar por la falla. Estas frecuencias pertenecen propiamente a las pistas y elementos metlicos. Otra situacin de falla de rodamientos corresponde a jaula o canastillo roto. Este caso justifica una intervencin pronta pues puede conducir a atasco del giro. El sntoma, en este caso, se presenta como frecuencias sub-sincrnicas inestables en el sector 0,3 a 0,45xRPM, debido a que en ese rango se sita la velocidad de giro del completo tren de elementos rotacionales. La falta de lubricacin apropiada en rodamientos genera un espectro amorfo y muy rayado con seales de amplia base, incoherentes, que llenan zonas frecuenciales medianamente altas con bajas amplitudes. Esto se debe a que el dficit de lubricante genera roces intermitentes que excitan muchas frecuencias naturales del entorno. Obviamente el problema se cura renovando la lubricacin. Similar sintomatologa genera un rodamiento con juegos internos inapropiadamente estrechos llamado ajuste fuerte. En este caso es inefectiva una cura con lubricacin y debe procederse al pronto cambio por el rodamiento con los juegos adecuados o ir a la rectificacin precisa del eje.

9. VIBRACIN en COJINETES HIDRODINMICOSEn los descansos lisos de metal blanco radiales o de empuje, aparecen vibraciones por desgastes del metal blanco; tolerancias inadecuadas, lubricacin deficiente o incorrecta, cargas excesivas de los ejes y otras. Los cojinetes metalados permiten un cierto juego del eje rotor en el medio oleoso. Cuando el juego es excesivo, las fuerzas remanentes de desequilibrio y desalineacin, se presentan como si hubiera soltura mecnica. Los descansos deben inspeccionarse midiendo tolerancias y estado de la superficie de asentamiento del eje.

La experiencia ha indicado que la causa principal de vibracin es la calidad deficiente de la pelcula de aceite. Un descanso con lubricacin exigua produce vibraciones con frecuencias armnicas y la amplitud se muestra oscilante. La posicin tpica del eje en el descanso no es concntrica con el orificio sino que desplazada a derechas o izquierdas y unos 30 grados levantada respecto al plano horizontal. El lado depender del sentido de rotacin debido al efecto de la fuerza hidrodinmica de sustentacin creada por la cua de aceite. La formacin de esta y su calibre depende de las RPM, del peso del rotor y la presin del aceite. Cuando por alguna razn operativa o geomtrica, o alguna desalineacin severa, el hidro-equilibrio del cojinete se rompe, el llenado de la cua de aceite bajo el eje se hace descontrolado y el eje empieza a golpear violentamente dentro del descanso, a una frecuencia entre 0,4 y 0,48*RPM. En mquinas de alta velocidad, con alimentacin de aceite a presin en los cojinetes, que trabajan sobre su segunda velocidad crtica, se presenta a veces esta vibracin trepidante, de amplitudes muy severas, a la cual se ha llamado "ltigo de aceite". Este es un caso crtico que se debe abordar como emergencia. Muchos casos de estos se resuelven incrementando la presin del aceite en los cojinetes lo cual restituye el equilibrio mientras se programa la detencin de la mquina para inspecciones acuciosas.

10. VIBRACIN por SOLTURAS MECNICAS

Se presenta cuando existen partes de la mquina mal ancladas sobre las fundaciones. Tambin en cojinetes con juegos muy grandes, o por tolerancias impropias en acoples o elementos de sujecin. Camisas desajustadas, uniones cardnicas gastadas, rodetes sueltos presentan la ocasin para que las fuerzas normales de desbalance residual o desalineacin sean amplificadas en forma no lineal. Por tanto su expresin frecuencial es de mltiples armnicos excitados.

11. VIBRACIN por FUERZAS HIDRO-NEUMTICAS

Las mquinas que operan con fluidos: aire, gas, vapor, agua, cidos, pulpas; presentan, en oportunidades, vibraciones debido a la reaccin de los labes que empujan el fluido, ante presiones pulsantes de ondas snicas reflejadas en algn obstculo situado aguas arriba del impulsor. Su frecuencia es constante e igual a un mltiplo exacto de las RPM. Esta frecuencia de paso de labes es el producto de la velocidad rotativa por el nmero de aspas del impulsor. En bombas con difusor, tambin aparece esta vibracin cuando se tapa algn pasaje de este. El ngulo de fase de esta vibracin es estable y su amplitud es funcin del grado de obstruccin de la descarga. Su aparicin es absolutamente indeseable y debe ser corregida con prontitud pues produce efectos destructivos sobre el eje rotor al generar contra-torques instantneamente variables y consecuentemente fatiga torsional que acorta la vida del eje por fatiga de cizalle. Las turbulencias creadas por el flujo de lquidos o gases a travs de caeras defectuosas y vlvulas mal operadas, producen ondas snicas o pulsaciones que se transmiten a travs del sistema.

Estas se deben a defectos tales como: vlvulas semi-estranguladas en descarga o succin, curvas con cambios de direccin muy prximas a la descarga, singularidades mal dimensionadas en la succin, flanches corridos o empaquetaduras sobresalientes, vrtice en la alimentacin o variaciones bruscas en las condiciones operativas. En oportunidades y en funcin de la geometra del impulsor, de la voluta y de la longitud libre colgante del rodete, se produce tambin, por el mismo efecto, una fuerte vibracin axial que responde a la suma vectorial de flexin y torsin que se expresa finalmente como solicitacin destructiva por flexo-torsin en la punta del eje. El eje se corta en el punto ms dbil o en rebajes no enlazados con propiedad.

Otra familia de vibraciones de origen aero-hidrodinmico es la generada por estrangulamientos, vrtices o turbulencias excesivas en la succin o alimentacin de las bombas o ventiladores. Efectivamente, estos fenmenos de mecnica de fluidos al introducir burbujas de aire y remolinos al interior del rodete crean fuerzas variables e inestables que se presentan como vectores vibracionales de frecuencias sub-sincrnicas ya que restan velocidad a parte del fluido que no consigue alcanzar las RPM del impulsor. Por esta ltima razn se encuentran entre 0,25 y 0,65xRPM. La fase es profundamente inestable, as como la amplitud.

Un efecto parecido suscita algn deterioro msico geomtrico del impulsor cuya defectuosidad auto-genera turbulencias internas en la zona de alta presin y consecuentemente vibraciones de frecuencias sub-sincrnicas. En este caso las amplitudes son mayores y graves. La cavitacin o evaporacin instantnea de agua en la zona de alimentacin del impulsor de las bombas centrfugas y el posterior colapso de las burbujas de vapor en la zona de alta presin genera un efecto de severos golpes o picotazos destructivos sobre la masa metlica del impulsor y la carcaza de la bomba. La vibracin producida es de frecuencias variadas, caticas y de amplio espectro, de fase inestable y de amplitudes bajas y dispersas. El ruido es intenso y activo aunque amorfo y da la impresin que hubiera piedras al interior. Su cura es bsicamente ajena a la mantencin y corresponde esencialmente a diseo apropiado de la alimentacin.

12. VIBRACIN por ROZAMIENTOS

La vibracin por roces metlicos origina un sndrome vibratorio caracterizado por una manifestacin amorfa, de ancha banda, bajas amplitudes y fase inestable. En general el ruido es agudo y molesto. Si el roce es intermitente es ms posible que se manifieste la excitacin de una o varias frecuencias naturales de la mquina o estructura. Si el roce es continuo el espectro se mostrar muy sucio y rayado. Roces metlicos pueden producirse por desalineaciones severas de rodamientos, ejes y soportes. Tambin se presentan con intermitencia cuando hay solturas entre camisas y ejes o entre anillos de los rodamientos y eje o alojamiento.

Graves roces se producen al desplazarse axialmente el rodete de bombas por soltura de la tuerca de fijacin. Al producirse este accidente se reduce la vibracin 1*RPM, lo cual es abiertamente anmalo y se incrementan las manifestaciones de alta frecuencia. Debe intervenirse de inmediato.

13. VIBRACIN por RESONANCIA

La fuerza que produce una vibracin resonante puede ser variada tanto en direccin o magnitud como en ambas. Su frecuencia se llama "frecuencia de excitacin" y a ella se producir la vibracin. Todos los componentes de una mquina hecha de materiales convencionales tienen varias frecuencias naturales, que son las que pueden ser excitadas. La resonancia se presenta cuando la frecuencia de excitacin coincide o est en la inmediata cercana de la frecuencia natural de la pieza. Al llegar a la zona de resonancia, basta una fuerza de excitacin pequea para desarrollar una vibracin de amplitud muy alta, especialmente cuando el material que rodea la fuente excitadora tiene caractersticas de amortiguacin bajas.

Las frecuencias naturales pueden encontrarse golpeando la pieza con mquina detenida o localizndolas en un espectro recogido con la tcnica de retencin de mximos durante el proceso de detencin del rotor.

Las bombas verticales largas y muy esbeltas, tambin pueden entrar en vibracin de resonancia si tienen un slo soporte, ubicado cerca del tope o del fondo. Las columnas de fierro fundido no tienen esta clase de vibracin, por la capacidad de amortiguacin estructural de este material. La frecuencia de resonancia de los rotores puede ser excitada por la propia velocidad de la mquina. Esta terrible coincidencia conduce a una exaltacin notable de la vibracin resonante que es muy destructiva y debe ser evitada a todo trance. Esta propiedad de los ejes se llama velocidad crtica.

14. VIBRACIN por DEFECTO ELCTRICO

Problemas elctricos en motores derivados de anomalas y debilitamientos de la aislacin, fisuras en barras, bobinas o anillos del rotor, deformaciones en la onda de la red, generan fuerte vibracin y ruido en bajas frecuencias en algunos casos y en otros alzas de temperatura y emisiones en alta frecuencia. Defectos elctricos en motores de induccin son: entrehierro variable, desequilibrio de fases, anomalas en la aislacin de los devanados de cobre. En el caso especial de rotores jaula de ardilla una causa de vibraciones puede ser la fisura de barras del rotor o de los anillos de cortocircuito. La caracterstica principal de estas seales vibratorias es el vector 2*RPMs de giro del campo magntico. Este vector est adelantado respecto al vector del giro mecnico del rotor en una cantidad denominada resbalamiento, ya que este ltimo se atrasa para as generar su fuerza magneto-motriz.

Por ello es fcil distinguir ambos al disponer de un espectro de alta resolucin frecuencial. Una buena confirmacin de este diagnstico se obtiene al analizar la onda elctrica. Los defectos de aislacin se manifiestan en fuerte y creciente realce de la frecuencia de paso de las barras.

En motores de CC el defecto ms comn que origina vibraciones es la rectificacin defectuosa de la onda alterna por falla en la electrnica de conversin ya sea de tiristores u otra. La seal producida en este caso es una fuerte irrupcin de la frecuencia 3.000 CPM. Estos casos se resuelven con el pronto cambio de la unidad motriz o de la tarjeta electrnica, cuando corresponda.

15. VIBRACIN por ENGRANES

Piones, sinfines y ruedas dentadas con defectos de superficie originan un engrane spero que se manifiesta en un crecimiento de la frecuencia de engrane: Fe = z*RPM. Si el defecto proviene de sobrepasar la tangencia de los crculos bsicos del dentado: se manifiesta una fuerte vibracin que excita las frecuencias naturales por roce. Si por el contrario faltara tangencia y los crculos no se tocaran, se genera un fenmeno de doble contacto o doble engrane y se desarrolla la frecuencia 2*Fe con irregularidad.

Tambin es comn sobre todo en la minera la contaminacin del lubricante con polvo silcico de gran dureza. En estos casos la frecuencia de engrane de amplifica pues la irregularidad del aceite permite instantneas rupturas de la continuidad de la pelcula de aceite. En estos casos lo procedente es filtrar el aceite y en muchos casos slo cambiarlo.

Otro caso que debe interesar al analista es la contaminacin del aceite de las cajas de engrane con agua. Est probado que bastar con un 0,1% de agua para reducir en un 30% la viscosidad del aceite. Esto produce un debilitamiento notable de la capacidad del lubricante para soportan las cargas entre dientes y se genera ruido, temperatura por roces debido al rompimiento sistemtico de la pelcula protectora del lubricante. En dichos casos se debe proceder a la centrifugacin del aceite para su recuperacin.

Finalmente es comn que coexistan asperezas en el engrane con deflexiones del eje o desalineaciones, lo cual genera modulaciones de la seal original de engrane y el espectro muestra bandas laterales desarrolladas a espacios regulares conforme a cual sea la frecuencia de la fuerza perturbadora.

CAPTULO 2

DIAGNSTICO de DESBALANCEO

de ROTORES

DIAGNSTICO del DESBALANCEO de ROTORES

Todos los conjuntos rotores de uso industrial estn sujetos a ciertos grados de desbalanceo, por que es fsicamente imposible hacer coincidir; en la fabricacin y posterior armado y montaje del rotor: el eje de simetra axial geomtrico, con la lnea de unin de los centros de masa. Los tipos de desbalanceo que se puede encontrar en rotores anchos son tericamente tres:

DESBALANCEO ESTTICO: En que la lnea de los centros de masa est desplazada en una direccin nica paralela respecto al eje de simetra axial. Este tipo de desbalanceo es generalmente apreciable girando manualmente el rotor detenido que siempre tiende a adoptar la misma posicin con el lado cargado hacia el centro de la Tierra (en rotores de eje horizontal)

La vibracin que origina el Desbalanceo Esttico, es reconocible por tres causas:

a) La vibracin est caracterizada por una fuerte componente 1xRPM en sentido Radial, en cada uno de los cojinetes terminales.

b) Los componentes 1*RPM crecen fuerte al incrementarse la velocidad rotativa: Pues son proporcionales al cuadrado de la variacin de las RPM y directamente proporcionales al crecimiento del grado de desbalanceo: masa y posicin.

c) Los componentes 1*RPM estn en fase, en ambos cojinetes.

En general este tipo de desbalanceo es corregible con facilidad colocando masas de correccin situados en sentido opuesto al lado cargado y que tiendan a restituir la coincidencia de ambos ejes.

DESBALANCEO PAR: En este la lnea de los centros de masa es oblicua respecto al eje de simetra axial, lo corta en el punto central y permanece en un plano simetra axial del rotor. Este tipo de desbalanceo en su forma pura es improbable. Sin embargo es de una formidable utilidad para la solucin grfica del desbalanceo dinmico en dos planos. Es as por cuanto en dicho caso se procede a descomponer los vectores vibracionales en dos componentes: una esttica y la otra Par.

El Desbalanceo Par puro no es reconocible por simple giro manual del rotor detenido y puede llevar a la falsa presuncin que el rotor est perfectamente balanceado, pues estticamente no muestra lados cargados.

La vibracin que origina el Desbalanceo Par, es reconocible por tres causas:

a. La vibracin presenta una fuerte componente 1xRPM en sentido Radial, pero aparece tambin en sentido Axial, en cada uno de los cojinetes terminales. A veces presenta armnicos de cierta importancia.

b. Los componentes 1xRPM, tanto radiales como axiales, crecen fuerte con el cuadrado de alza de los RPM y directamente con la variacin de la magnitud del desequilibrio.

c. Los componentes 1xRPM, estn desfasados en 180 grados en ambos cojinetes.

Este tipo de desbalanceo, al ser reconocido, puede ser resuelto con facilidad con pesos compensadores diametralmente ubicados, cada uno en el plano contrario.

1. DESEQUILIBRIO DINMICO

Pero la realidad indica que en general en rotores industriales, los dos tipos de desbalanceo mencionados no se presentan separadamente, sino combinados, en lo que se llama desbalanceo dinmico y que trataremos aqu con ms detalle.

Tal como se ha dicho, en el desequilibrio dinmico se combinan las descompensaciones de masa de modo tal que la posicin de los puntos cargados aparece en planos distintos y bajo ngulos diversos. Ver figura. La vibracin que origina este tipo de desbalanceo no es tan sencilla de aminorar. Las caractersticas ms distintivas de la vibracin producida por este desequilibrio son:

a..Manifiestas componentes 1xRPM Radiales y Axiales.

b. Alza fuerte de la vibracin general con las RPM.

c. Los componentes 1xRPM no estn en fase, pero tampoco desfasadas en un ngulo preciso. Sin embargo el desfase permanece al variar la velocidad.

Aqu surge otra cuestin principal que debe ser dilucidada: la relacin entre las RPM y las velocidades crticas del rotor. Se reconocen, entonces, por dicha relacin bsicamente dos tipos de rotores:

ROTORES RGIDOS: Giran normalmente a velocidades por debajo de la primera velocidad crtica. Dado que estas Vc son una propiedad fsico-mecnica de este y se determinan por su material, tipo de fabricacin y por su armado, normalmente permanecen en valores estables a travs del tiempo y son fcilmente reconocibles pues al acercarse las RPM a una de ellas, la vibracin del rotor se exagera notablemente, lo que es peligroso.

Es aconsejable, para rotores sencillos no proyectar sus RPM en el rango 20 % de las velocidades crticas. Los rotores rgidos se mantienen fuera de dicho rango pues giran a menos de 0,8 de la primera Velocidad Crtica. En la prctica son Rgidos un 99% de los rotores industriales, en especial de motores elctricos, bombas, roscas, polines, que giren a 500, 1000, 1500 RPM. Pero son peligrosamente fronterizos los rotores de ventiladores, pues su estructura caracterizada por su esbeltez y liviandad, les da una relacin ancho-dimetro y volumen-peso, sugerentemente alta.

En suma, los Rotores Rgidos son ms fciles de balancear, pues el punto pesado de desbalanceo coincide con el punto alto de la seal vibratoria.

ROTORES FLEXIBLES: Son aquellos cuya velocidad de giro est por sobre la primera frecuencia resonante crtica, lo cual significa a lo menos las siguientes diferencias:

a. En partidas y paradas se pasa necesariamente por una de las velocidades crticas (a lo menos) y por tanto deben ser reconocidas, para evitar permanecer en ellas.

b. Al pasar por la velocidad crtica, se produce un cambio del modo de vibrar y deformacin de la flecha del eje del rotor. La fase del vector de la frecuencia fundamental cambia en 180 grados.

c. Por tanto, el punto pesado de desbalanceo ya no coincide con el sentido de la mayor vibracin.

En general, muchos rotores de ventiladores y turbo-maquinaria son flexibles si giran a ms de 1.0001.200 RPM los primeros y 1.500 los segundos.

2. BALANCEO DINMICO

El balanceo dinmico vio muy facilitado por la aparicin de los Analizadores Porttiles, y con la disponibilidad de poderosas calculadoras que permiten realizar en terreno las operaciones de clculo en terreno junto al equipo. Los Analizadores, disponen de SW de balanceo dinmico residente en Prom interno que realizan el clculo con gran rapidez y precisin. Esto es muy til en casos de TG con rotores flexibles trabajando sobre las primeras dos velocidades crticas y de gran largo, con varios cojinetes y planos dinmicos.

No desarrollaremos aqu por una cuestin de espacio la forma de realizar un Balanceo Dinmico en dos planos. Para esto recomendamos recurrir a nuestro Manual BDR: Balanceo Dinmico de Rotores que est disponible. Slo haremos una introduccin con el propsito de verificar lo simple del mtodo y desmitificar la dificultad y complejidad que corrientemente se le atribuye.

La nica diferencia con el tradicional mtodo vectorial de clculo que se usa en el balanceo esttico es que; en el caso de Balanceo Dinmico en dos planos; cuando un Peso de Prueba: PP se coloca en uno de esos planos produce efectos en ambos planos. Efectivamente, al hacer actuar los vectores propios de ambos pesos de prueba se generan vectores diferenciales en ambos planos, que son bsicos para el clculo subsiguiente de los Operadores Q1 y Q2, que actan sobre dichos vectores diferenciales modificndolos convenientemente para originar los pesos correctores reales. Las ecuaciones de equilibrio son:

Q1 * (V11 V10) + Q2 * (V12 V10) = V10

Q1 * (V21 V20) + Q2 * (V22 V20) = V20

Luego, se despeja Q1 y Q2 desarrollando el clculo respectivo. Los operadores Q1 y Q2 fijan el valor del ngulo de colocacin de los Pesos Correctos: PC. La magnitud de cada PC se calcula multiplicando el mdulo de Q1 y Q2, por la magnitud de los PP que se usaron para producir los cambios y los vectores diferenciales usados. Estos PC son distintos en magnitud y ubicacin. Una vez colocados estos, sus vectores combinados cancelan, en cada plano afectado, los vectores de la vibracin original V10 y V20.

3. ROTORES FLEXIBLES y VELOCIDADES CRTICAS

Porqu cambia de posicin el centro de masas y se ubica entre el eje del rotor y el centro de giro al trabajar sobre la velocidad crtica? Explicaremos aqu de forma sucinta la forma y la razn por la cual se produce este fenmeno dinmico.

r = desplazamiento del eje por efecto de la masa excntrica venciendo la rigidez del eje.

e = excentricidad del Centro de Masas.

K = Constante de resorte del eje.

Fd = Fuerza deflectora Fd = K * r

m = Masa del rotor

La fuerza deflectora Fd debe equilibrarse con la fuerza centrfuga Fc desarrollada por la masa excntrica.

Fc = Fuerza centrfuga = m * (2 * (r +e)

K * r = m * (2 * (r + e) (1)

Frecuencia natural del rotor: (n =

(1) se puede escribir:

(2n * r = (2 * (r + e)

y despejando r:

r = e * ((/(n)2 1 - ((/(n) 2

"(n" se puede conocer haciendo vibrar el eje en reposo mediante impactos.

a. CONDICIN SUBCRTICA:

El rotor gira a menos de 70% de su primera velocidad crtica: (/(n ( 1

Resulta r > 0; es decir la masa excntrica gira con un radio (e + r) y la vibracin se incrementa con la velocidad.

b. CONDICIN CRTICA:

El rotor alcanza la velocidad crtica:

( = (n luego r ( (En teora el desplazamiento sera infinitamente grande. En la prctica es limitado por efectos de amortiguamiento estructural. pero an as es alto.

c. CONDICIN SUPERCRTICA:

El rotor gira sobre la velocidad crtica:

(/(n ( 1 resulta r < 0

Esto indica que r tiene direccin contraria a e y el radio con que gira la masa excntrica es ahora (r e). As el C.M. queda ubicado entre el eje geomtrico del disco y el eje de los descansos.

d. CONDICIN SUPERCRTICA EXTREMA:

El rotor gira muy por encima de su velocidad crtica:

(/(n ( ( 1 luego r = e

al ir subiendo las rpm la vibracin va disminuyendo generando as una capacidad de auto-balanceo. En un cierto momento, entonces el C.M podra llegar a coincidir con el eje de los cojinetes y, por lo tanto, el rotor quedara perfectamente auto-balanceado.

CAPTULO 3

DIAGNSTICO de RESONANCIAS

ESTRUCTURALES

DIAGNSTICO y RESONANCIAS ESTRUCTURALESLa experiencia que hemos tenido en plantas industriales, en especial con ventiladores o extractores de gases, nos ha llevado a plantearnos con sistemtica respecto a la emergencia de las notables amplificaciones que se presentan en los equipos rotativos al ser excitados por fuerzas senoidales que presentan frecuencias que de algn modo son sentidas muy particularmente por las mquinas o sus sustentaciones estructurales.

No nos resistimos aqu a reproducir este encantador prrafo que hemos ledo en un libro:

"Cuando el pjaro abandona la rama en que ha cantado, deja en ella un estremecimiento. Cuando un sonido vulnera el aire, los objetos circundantes se sienten vulnerados deleitosamente en no sabemos que elemental sensibilidad oculta bajo el mutismo de su inerte materia; despiertas por el son transente, vibran las pobres cosa: piedra, madera o metal, y envan tras l ntimos rumores de respuesta que solemos llamar resonancia"

Qu fsico o matemtico escribi esto, quien sabe tanto de teora de las vibraciones o de mecnica de slidos para concebir tan poticamente el fenmeno resonante? Pues, no. Ha sido un filsofo, un ensayista espaol: Jos Ortega y Gasset, Abril de 1919, El Espectador, Madrid. As es como un maestro de las letras presenta un tema tan caro para nosotros.

1. FRECUENCIAS NATURALES de VIBRACIN

Las frecuencias naturales son propiedades esenciales de los cuerpos que al ser excitados por alguna causa dinmica vibran libremente en dichas frecuencias. La excitacin de las Fn puede provenir de impactos impulsivos o roces. Las Fn son normalmente una banda ancha con una frecuencia central. Cuando nos referimos a una Fn, generalmente nos referimos a la frecuencia central. Las frecuencias naturales pueden ser excitadas tambin por un movimiento armnico si su frecuencia est dentro del rango de la banda y contiene suficiente energa. Ha sido una regla aceptada establecer un alejamiento de 20 % a cada lado de la frecuencia central para definir la zona de resonancia donde cualquier coincidencia con frecuencias dinmicas es de riesgo.

Si estas frecuencias estn dentro del ancho de banda de la Fn y ella contiene suficiente energa para excitarla habr resonancia.

El fenmeno de resonancia consiste en una grave amplificacin de la frecuencia excitadora. En el caso de equipos rotativos esta resonancia se puede producir por coincidencia de las RPM del eje con una de las frecuencias naturales del equipo. En dicho caso se dice que dicha RPM es una velocidad crtica del rotor. Para el correcto manejo y la sanidad de la mquina es indispensable la identificacin previa de dicha Vc para as controlar el trabajo del rotor a RPM distintas a ella y en todo caso en rangos + 1,2*Vc 0,8*Vc.

El amortiguamiento es la medida de la capacidad de la mquina para absorber energa. Por tanto una seal vibratoria poco amortiguada es de alta amplitud y angosta banda. Contrariamente, una seal amortiguada es de baja amplitud y amplia banda.

Las Fn son tiles cuando actan como portadoras, con lo cual se evidencia la fuente de excitacin. Esto ocurre cuando las Fn son excitadas rtmicamente por golpes o impactos. En estos casos, la frecuencia natural se hace presente acompaada de lneas espectrales a cada lado. El nmero de estas lneas, o bandas laterales, est determinado por el amortiguamiento y la distorsin de forma de la onda. La distancia entre dichas lneas espectrales identifica la frecuencia de excitacin. Las Fn pueden ser identificadas en el espectro vibratorio porque generalmente no son armnicas. Pero s pueden ser moduladas por estas. Si se elimina la causa de la excitacin, la frecuencia natural no se mostrar.

Cuando en un rodamiento se destruye la pelcula de aceite, se puede excitar una Fn por el contacto metal-metal entre las bolas o rodillos y las pistas de rodadura, Este problema se puede solucionar agregando aceite o cambiando la viscosidad del aceite. La forma modal se refiere al modo como el eje de la mquina se flecta. El primer modo corresponde a la primera velocidad crtica, el segundo modo corresponde a la segunda crtica, etc. La segunda crtica o superiores no son armnicas de la primera crtica. De hecho por la naturaleza de su determinacin son totalmente independientes y no ofrecen rasgos de parentesco ni estn relacionadas.

2. VELOCIDADES CRTICAS

Uno de los problemas ms severos relacionados con el desbalanceo, es la proximidad entre la velocidad de giro: RPM y una frecuencia resonante del Rotor o Velocidad Crtica.

Las velocidades crticas son propiedades de los rotores. Pero naturalmente como tales, pueden variar ante acciones humanas de mantencin o de ingeniera o por influencia de desarrollos propios de las variables del proceso industrial. De hecho, es nuestra experiencia, que en especial los rotores de ventiladores son afectados por un complejo de problemas que influyen en el desplazamiento de sus velocidades crticas. En especial se produce una paulatina prdida de rigidez del rodete, generalmente fabricado con planchas y piezas soldadas al empezar a trabajar con temperaturas altas.

Tambin las fatigas o esfuerzos repetitivos, producen cambio en las propiedades elsticas de los componentes y deformaciones que a su vez generan anormalidades en el flujo aerodinmico proyectado y consecuentemente incrementan las vibraciones agravando las fatigas y encadenando el proceso. Luego, por tanto, empieza la frecuencia crtica a bajar acercndose a la velocidad rotativa: esto se produce por efecto de que en la expresin de la frecuencia natural:

(n = ( ( k/m ), la rigidez k se reduce a igualdad de la masa total.

Si la velocidad de giro alcanza la "falda" de la primera crtica, o sea, dentro del rango: (0,8 a 1,2)* (n, se producen los siguientes efectos dinmicos:

a) Un pequeo desbalanceo residual que normalmente sera aceptable de acuerdo a las normas DIN, y que originara bajas vibraciones, es magnificado y el rotor trepida con fuerza, influido por el Factor Amplificador:

FA = 1 / [ 1 ( (/(n ) ]

b) La fase de la componente 1xRPM, pierde su estabilidad y ante cambios menores de la velocidad de giro vara notablemente.

3. CASO VENTILADOR RESONANTE

Las calderas de las unidades de generacin de una gran Central Termoelctrica, poseen ventiladores de insuflacin de aire en la zona del cofre o penthouse, cuya principal misin es mantener presurizado dicho recinto, para evitar el ingreso de polvo de arrastre slido de los gases de combustin del hogar.

Uno de esos ventiladores, el de la unidad 2, fue llevado al taller para reparaciones, a raz de deterioros producidos por fuerte corrosin salina. Una vez recuperado parcialmente el rodete y la estructura hubimos de hacer una verificacin de su condicin dinmica. El ventilador es de tipo cantilever de flujo axial-radial y sus vibraciones resultan ser excesivamente altas. Nuestras verificaciones fueron dirigidas, esencialmente hacia la condicin estructural del conjunto.

Para ello y dado nuestras sospechas por las altas RPM del rotor: 3000, procedimos a realizar una prueba de monitoreo de detencin. Nuestro propsito era, verificar los modos vibracionales del conjunto y en esa forma determinar la forma de influir sobre la excesiva respuesta vibracional ante un desequilibrio dinmico. La observacin del espectro adjunto, es singularmente demostrativa: muestra tres zonas resonantes bajo la velocidad rotativa: 2100 CPM, 1500 CPM y 1270 CPM.

Esto fue una revelacin que produjo en los mantenedores una gran sorpresa, pero las explicaciones que dimos y las pruebas de impactos subsecuentes les confirmaron el hecho denunciado por el Analizador. La forma de hacer esa adquisicin espectral ha sido a travs de la modalidad de anlisis en tiempo real con retencin de mximos (peak hold) Esta facilidad es una forma de promediacin que va conservando, de cada espectro adquirido en la medicin, los valores mximos en cada lnea del espectro.

Por esta razn representa una magnfica facilidad para realizar monitoreos continuos en tiempo real. Para lograr lo dicho es indispensable configurar adecuadamente el despliegue espectral de tal modo que el tiempo de adquisicin sea corto, an a costa de la resolucin. Nosotros recomendamos no exceder las 400 lneas y adems poner la 1*RPM en el tercio derecho del diagrama espectral.

La forma en que se forma el espectro continuo tiene un parecido con una fotografa con obturador abierto fotografiando el movimiento. As el espectro ya no es uno sino que una composicin de varios a medida que las RPM se reducen de modo que al pasar por una Vc se produce un crecimiento anormal de la amplitud que vena de cada. El examen de este espectro continuo permite as la rpida y eficaz identificacin de las zonas resonantes de la mquina y su estructura soportante.

Dado que en el caso de nuestro ventilador este muestra una gran flexibilidad en las pruebas de taller, lo que sucede al montarlo y apernarlo es que se ve incrementada su rigidez a igual masa; con lo cual las Fn migran hacia la derecha y as coinciden con las RPM. Por ello es que ha sido nuestra recomendacin instalar el ventilador sobre cojines resilientes para mantener la posicin de las frecuencias naturales o incluso desplazarlas un tanto ms a la izquierda. Adems los elementos instalados entre la estructura del edificio y el bastidor del ventilador producen una calculada amortiguacin de la amplitud vibracional en las frecuencias comprometidas.

La disminucin de la amplitud vibracional proviene de la propiedad de los elementos resorte-goma de absorber una gran cantidad de energa vibracional en el rango escogido. Todo esto est tabulado y es consultable. Hemos renunciado a la posibilidad de efectuar una fuerte y amplia rigidizacin para trasladar las frecuencias citadas a ubicaciones bastante a la derecha de las RPM en el diagrama espectral, debido a que sera una solucin grosera, carente de elegancia, de economa y de sustentabilidad. Adicionalmente se ha debido balancear en dos planos.

CAPTULO 4DIAGNSTICO de

FUERZAS

AERO-HIDRODINMICASELEMENTOS para el DIAGNSTICO de BOMBAS

Es de notable importancia para el mantenimiento de plantas qumicas industriales y mineras, as como de alimentos, dar un buen diagnstico de sus bombas centrfugas apoyado en el anlisis espectral de sus vibraciones. Nuestra vasta experiencia en este rubro de la ingeniera nos ha permitido reunir aqu algunos de los elementos fundamentales para dichos diagnsticos.

1. FUNDACIN, BASTIDOR y ANCLAJES

Las bombas centrfugas desarrollan gran energa hidrulica, por lo cual deben estar fundadas en losas de concreto o poyos muy slidos. En estos deben ir embutidos los pernos de anclaje sobre los cuales se monta rgidamente el bastidor. Las losas, poyos y bastidores deben ser nivelados con exactitud. Errores de nivelacin llevan a presiones desmedidas sobre los rodamientos. Estas generan envejecimiento prematuro por cargas exageradas y no previstas, evidenciadas por fuertes vibraciones. Es de gran importancia torquear los pernos de anclaje, para no deformar el bastidor con aprietes excesivos y descompensados. Tambin las solturas reducen la vida de las bombas (ver captulo 9) A su vez bomba y motor deben aferrarse slidamente al bastidor o placa basal. Una vez hecho esto se podr rellenar los huecos entre placa-bastidor y poyo con lechada de cemento (grouting) Una placa basal muy delgada y elstica, o carente de ligazn por grouting al poyo, da lugar a una notable amplificacin de la componente 1x, simulando un grave desbalanceo, que no es tal sino slo efecto placa vibrante.

2. ALINEACIN de MACHONES

El proceso de alineacin se produce por etapas: primero antes de groutear; segundo despus de conectar las caeras; tercero despus de probar con agua fra y cuarto despus de correr en caliente. Actualmente, con instrumentos poderosos para alineacin ptica es conveniente re-alinear 2 veces por ao ante cambios de estacin climtica. De las tablas de des-alineacin permisible damos aqu un ejemplo: para bombas girando a 1500 RPM, y dimetro de machn 200 a 300 mm: la tolerancia angular es: (z = 150 micrones equivalentes a 2,3 minutos de grado (ngulo) y la tolerancia radial es: (d = 200 micrones. Recientemente se ha suscitado una fuerte polmica entre usuarios y vendedores sobre la real aplicabilidad de los alineadores lser. Hay una notable mayora de usuarios que ha decidido renunciar a su uso por complicado y perdedor de tiempo y han retornado a los relojes y niveles de precisin.

3. CAERAS, SOPORTACIONES y VLVULAS

Las tuberas deben instalarse de modo que no descansen sobre las bridas o flanches de la bomba ni los fuercen. En tal caso produciran inevitables deformaciones y vibraciones extra. Los soportes deben considerar las expansiones y contracciones trmicas que originan grandes fuerzas. A su vez recordamos que las juntas de expansin en la descarga no son absorbedoras de vibracin sino por el contrario pueden amplificarlas si no estn bien sujetadas mediante pernos tensores. Las fuerzas variables que generan vibracin estn originadas en la bomba, pues en las caeras y soportaciones solo puede originarse fuerzas estticas o reacciones. Pero un mal diseo o una defectuosa instalacin puede magnificar un problema vibratorio nuevo haciendo las veces de un resonador. Las caeras de alimentacin deben ser cortas y de alto dimetro, sin singularidades bruscas. Su vlvula de corte debe estar siempre abierta, salvo en perodos de mantencin. Obstrucciones en la alimentacin generan prdidas de carga que pueden llegar a hacer cavitar la bomba por falta de presin positiva. Adems singularidades bruscas, flanches mal alineados y empaquetaduras en mal estado (que permiten admisin de aire) generan turbulencias con las correspondientes prdidas de carga y problemas en la admisin. Cavitacin y turbulencias producen fuerte vibracin, ruido, prdidas de eficiencia y destruccin fsica de rodetes y carcasas.

4. ARRANQUE y OPERACIN

Es recomendable marcar el sentido de giro de la bomba para que el rodete impulse adecuadamente el fluido por fuerza centrfuga. Una vez alineada, acoplada y regulada el agua de sello, se abre la vlvula de alimentacin y se arranca la bomba. Slo ahora se abre con suavidad la vlvula de cierre de descarga, comprobando el amperaje del motor. Una vez abierta en su totalidad se pasa a control automtico la vlvula de regulacin del flujo. Est la bomba cavitando o funcionando seca? Se debe evitar los cierres de vlvulas en la alimentacin de las bombas o la formacin de vrtices por altura de aspiracin reducida. Y si es que ello fuera inevitable, por necesidades urgentes del proceso se propondr la instalacin de placas anti-vrtex en los estanques alimentarios. Se est produciendo una excesiva flexo-torsin sobre el eje por la operacin de la bomba con vlvula de descarga drsticamente restringida? Se debe evitar funcionar en tales condiciones. En caso de necesitar regulaciones amplias del flujo, lo cual induzca a estrangulamiento de vlvulas automticas en la descarga, se preferir instalar variadores de la frecuencia elctrica del motor.

En ltimo caso se programar fuertes amortiguaciones en el control de las vlvulas automticas. Los mantenedores debemos tambin comprobar que la operacin sea suficientemente cuidadosa para evitar la cristalizacin o solidificacin del lquido, particularmente durante los perodos en que la bomba no est funcionando; mediante lavados y drenajes sucesivos.

El empleo de variadores de la frecuencia de la red ha introducido unos beneficios notables. Desde luego la eficiencia en el uso de la energa se ha incrementado por cuanto en diversas condiciones de flujo demandado es posible trabajar muy cerca del PME: Punto de Mxima Eficiencia. Esto trae tambin alivio a las condiciones de carga del rodete ya que es cerca de dicho PME en que se reducen casi a cero las fuerzas radiales de origen hidrulico sobre este. Adems el hecho de prescindir de las regulaciones va estrangulaciones ha supuesto la casi desaparicin del reflejo snico.

Sin embargo no deber descuidarse el mantenedor sobre dos temas ligados a los VF. Uno es que si la respuesta del sistema de control es poco amortiguada o sea muy celosa se producir sobre el acople y sobre el eje de la bomba unas variaciones de torque motriz que generarn fatiga torsional en ellos y su eventual rotura. En segundo lugar, la manipulacin electrnica de las frecuencias al interior de la planta, fatalmente llevar armnicos a la red pblica lo cual est sancionado con severas multas.

5. CONDICIN del EJE y AJUSTE de los RODAMIENTOS

Una causa comn de incremento vibracional es el ensanchamiento del dimetro interno en el alojamiento del rodamiento. Este ensanchamiento resulta a menudo de una falla previa del rodamiento que caus un instantneo atascamiento que luego se despeja extrayendo el rodamiento con mtodos mecnicos un tanto improlijos. As se vence muchas veces el ajuste metal-metal entre anillo exterior y alojamiento inicindose la anomala del ajuste la rodadura sobre una pista no circunferencial, la consiguiente fatiga de los elementos o la rotacin intermitente del rodamiento en el alojamiento. Puesto que la mayora de estos alojamientos son de fierro fundido, se recomienda reemplazar en lugar de recuperar.

Para entender mejor porque se efecta cada verificacin, es importante recordar que, a fin de obtener un funcionamiento adecuado de la empaquetadura o sello mecnico, el eje de la bomba debe girar centrado en la caja. y perpendicular a las caras estticas del sello mecnico. Si el eje no est centrado el resultado ser una oscilacin axial del elemento rotativo flexible del sello, a medida que intenta mantener el contacto de la cara con el elemento estacionario.

Algunas veces la desalineacin es tan severa que la cara rotatoria, a pesar de estar montada en forma flexible, no puede mantener el contacto. Esto resulta en un traqueteo que no slo permite fugas, sino que puede daar o romper las caras del sello. Otro resultado de esta oscilacin axial es el acanalado del eje o de la camisa debajo del rotor del sello mecnico.

Para verificar una deflexin del eje, se debe mantener el indicador del dial en su posicin anterior y se gira el eje a mano. El desplazamiento total no debe exceder 50 micrones. Un eje doblado se debe poner en la prensa, salvo cuando la deflexin sea superior al 10 % del dimetro, en que se debe desechar.

Un juego excesivo en el rodamiento de fijacin axial o su ajuste suelto en el eje o en su alojamiento, permitirn que el eje se mueva axialmente. Para determinar si este problema existe, se instala el indicador de dial en el bastidor y la punta en el extremo del eje o un resalte conveniente de l. Golpeando suavemente con un martillo blando, o moviendo con un engrane de cadena se debe mover el eje axialmente. Un movimiento superior a 125 micrones es considerado excesivo. Cuando se usan sellos mecnicos, el movimiento axial del eje puede causar deformaciones de las piezas.

6. PROBLEMAS y PUNTOS VULNERABLES en BOMBAS

Investigaciones variadas y experiencias extendidas han concluido que los puntos vulnerables principales de las bombas centrfugas son el empaque y los sellos con un 75% de las fallas y los rodamientos con un 11% de ellas. El resto se distribuye entre los otros componentes.

Si tuviramos que representar las causas de falla de los rodamientos de una BC tendramos que apuntar a: contaminacin hmeda, presencia de partculas en le interior, lubricacin inadecuada, desalineacin de ejes e instalacin incorrecta.

Esto debe ser muy tomado en cuenta por la inspeccin sintomtica diaria pues varios de ellos pueden agravarse con celeridad y conducir a la falla franca.

Adems, si esta falla se produce podemos alimentar la cadena fallera. Creando una condicin defectuosa que surja despus del cambio del rodamiento.

Ellos pueden ser: Introducir suciedad en la caja; contaminar el propio rodamiento; equivocar la aplicacin de lubricante; daar el eje al sacar el rodamiento antiguo; generar calentamiento excesivo al arrancar; inducir una errnea colocacin; marcar los elementos de la rodadura y deteriorar los sellos de obturacin.

A su vez, la experiencia indica que en trminos generales en las plantas qumicas se realizan mantenciones mayores a las bombas cada 18 meses, los sellos mecnicos deberan durar al menos 2 aos, los empaque un poco ms de 2 meses y los rodamientos alrededor de 5 aos.

Por cuanto la vida fsica de los rodamientos se ve limitada esencialmente por dos causas es notable comprobar que ellas pueden ser prevenidas:

Descascarilleo parcial de la superficie de rodadura debida a un acumulado proceso de fatiga metlica en la masa del acero, que se inicia con micro-fisuras que evolucionan hasta irrumpir en la superficie desprendiendo material en cascarillas.

Endentaciones superficiales de las pistas de rodadura debidas a un proceso de contaminacin silcica que se inicia con el ingreso de partculas de polvo al espacio entre rodillos y anillos generando contactos con ellos. Esto marca las pistas y los elementos rotatorios y termina por irregularizar todo el recorrido pistero.

Ahora, en cuanto al agente lubricador amortiguador y protector que es la grasa o el aceite, este tambin puede ser afectado por agentes externos y as perder parte muy importante de sus propiedades como se seala seguidamente:

Contaminantes silcicos en depsitos, embudos y todo tipo de vasijas y alojamientos

Degradacin del aceite que debilita la pelcula fallando en mantener separados los metales

Oxidacin que produce compuestos cidos que corroen las superficies y forman radicales libres que inutilizan el lubricante

Temperatura excesiva que limita y lesiona la vida fsica de los componentes reduciendo un promedio de 50% por cada 10 de incremento de la temperatura por sobre los 93.

Humedad por ingresos de vahos condensados u otras vas reduciendo la viscosidad en un 20% por cada 0,01% de agua en el aceite

7. TEMAS de SUCCIN y TURBULENCIAS

Cuando se instala una bomba debe tenerse un especial cuidado con la caera de alimentacin que impropiamente se denomina succin. Y esto es as porque hay tres problemas dinmicos que deben ser evitados so pena de causar daos a la propia bomba y perjuicios al cumplimiento de los objetivos de su rol en el proceso.

Ellos son: turbulencias en el fluido; ingreso de aire en la conduccin y cavitacin. Cada uno de estos problemas es motivado y agravado por francos descuidos en el diseo e instalacin de la caera de la succin. Generalmente la alimentacin del fluido proviene de un estanque de almacenamiento del cual se extrae a travs de una caera.

Si dicha caera tiene una salida brusca desde el estanque, acontecer que el fluido que, por las leyes de la fsica, no puede doblar en 90, se separar de la superficie interna del ducto y habr un fenmeno de vena contracta o sea que los filetes de deberan seguir pegados a la pared del estanque se despegarn creando ese espacio en vaco relativo. Esto se debe a la ley de conservacin de la energa en que al incrementarse la velocidad o sea la energa cintica del fluido se compensa con disminucin de la presin o sea de energa potencial.

As entonces, el resultado es no solo aceleracin turbulenta del fluido, sino tambin la formacin de pequeos torbellinos al devolverse parte del lquido a dichas zonas de baja presin. Estos torbellinos y estos filetes desordenados y turbulentos tambin pueden crearse si hay en la succin otras singularidades bruscas como vlvulas de corte a medio cerrar, flanches no ajustados, empaquetaduras de sellos de estos pasados y no bien ajustados.

Al ingresar estas irregularidades del fluido a la zona del rodete reciben un gran golpe de energa, por lo cual se tornan muy agresivas y desordenan el asentamiento hidro-dinmico del impulsor. Al propio tiempo erosionan sus recovecos, vanos, labes y cuerpo. Ms an, si arrastran algn gasto slido como arenillas o limos en suspensin la erosin es muy grave y destructiva.

El espectro vibracional de estos fenmenos de la mecnica de los fluidos, muestra presencias intolerables, irregulares e inestables en la zona sub-sincrnica entre las frecuencias 0,3x a 0,7xRPM en forma semi-continua. Esto es debido a las velocidades diferenciales de signo cambiado que tienen los torbellinos y turbulencias.

Por cierto, que la solucin a estos problemas no es estrictamente de mantencin y linda con la ingeniera de diseo. Entonces, he aqu un tema tpico para las tareas de anlisis y solucin de la ingeniera de mantencin. Redisear mediante cuellos de curvaturas amplias la salida de los estanques, extender la longitud de las caeras de succin para dar espacio a la transicin de flujo turbulento a laminar, es contribuir decisivamente a extender la vida de las bombas.

As tambin, Operaciones debe conservar limpios los ductos y fondos de estanques, e instruir para que jams se pretenda regular flujos en la succin de las bombas, manteniendo las vlvulas de corte completamente abiertas, o cerradas 100% en ocasin de mantenciones, pero nunca a medio abrir.

El siguiente problema asentado en la zona de succin es el ingreso de aire al interior de la caera y de la bomba. Ciertamente el aire es inmiscible con el agua y en general con los lquidos, razn por la cual una vez ingresado permanece en el fluido en calidad de tal, en la forma de pequeas burbujas que se unen y van creciendo.

Las fuentes de ingreso de aire son:

Empaquetaduras de flanches mal colocadas

Flanches con holgura entre caras

Estoperos irregulares en las propias bombas, en que el empaque se ha desgastado o sus dimensiones son impropias o la prensa-estopas no aprieta bien.

En tales casos las burbujas de aire al entrar en la zona del rodete en condicin de alternancia con el propio lquido crean en este una variacin diferencial importante en el torque resistente a su marcha.

Esto se debe a una muy menor resistencia del aire respecto al lquido. Estrictamente hablando las bombas estn calculadas para funcionar con lquido y a cavidad y caeras llenas. As, el rodete que es de gran macicez se estabiliza en el entorno lquido, lo cual ayuda a reducir el latigueo propio de su diseo colgado tipo cantilever.

Si ello no sucediera as, y el caso ms extremo es la bomba funcionando sin lquido, o sea el rodete girando en el aire, precipitar la rotura del eje por fatiga flexionante en las cercanas del rodamiento lado libre.

El caso de aire en el fluido podra ser incluso peor que lo dicho, ya que las ya dichas variaciones diferenciales del torque resistente, provocar fatiga por torsin en el eje. Y dado que los aceros resisten menos al esfuerzo torsor que al flector, el corte de ejes ser ms probable.

El espectro analtico de la vibracin inducida por estas fuerzas descompensadas es muy caracterstico. Presenta un grfico desordenado en ancha banda, de baja amplitud, entre 1 y 2 mm/s pero de gran energa si miramos el rea bajo la curva. La frecuencia va desde 0,8x a 1,8xRPM, o sea es una emisin catica, ruidosa, inestable en ambas dimensiones, que representa un ruido amorfo y grave que revela desajustes instantneos en la velocidad del impulsor y del fluido.

La diagnosis de este caso no es complicada por cuanto no co-existen estas seales con otras provenientes de defectos mecnicos, los que en general presentan emisiones discretas y armnicas con la velocidad de giro. La solucin a estos problemas tienen una estricta relacin con la calidad de las mantenciones realizadas. Flanches mal calzados, empaquetaduras mal colocadas, camisas de los ejes desgastadas, estoperos anormales deben ser corregidos a travs de mantenciones de calidad.

Tambin aqu queremos referirnos a otro caso de ingreso de aire y que es muy grave. Es el vrtice.

Este fenmeno de los lquidos almacenados en estanques se produce por baja altura geomtrica del lquido en el estanque, ante un drenaje de fondo y afecta a las bombas que se alimentan de l.

El vrtice, que es una especie de tornado acuoso, se produce al bajar el nivel en el estanque por debajo de una cota lmite, lo cual hace que se habr una garganta en la superficie y que se produce una especie de compensacin volumtrica, ya que al faltar lquido el sistema lo compensa con aire.

Las grandes burbujas que se generan pueden alojarse en la propia succin y en el cuerpo de la bomba, imposibilitando su trabajo y dandola. Menos grave es que se aloje en la descarga, con lo cual la succin estara llena as como tambin la bomba, pero no transportara fluido pues no podra atravesar la burbuja que es comprensible y rompera la regla de continuidad.

Su espectro vibracional es distinto si la burbuja est en el rodete. En dicho caso la vibracin en la 1x es muy grande y tambin se presencia la 2x. Si la burbuja est en la descarga el espectro muestra un pico 1x muy reducido. Este problema puede ser resuelto por ingeniera de mantencin, aliada con ingeniera de procesos y consistir en placas de acero en torno a la zona de succin del estanque creando un enclaustramiento que no permite la formacin de vrtices.

Finalmente, en la zona de succin se puede presentar una reduccin de la presin positiva neta, si es que las condiciones del flujo lo permiten.

Es sabido que las bombas centrfugas no succionan, ni aspiran. Por el contrario, requieren una presin positiva suficiente para que el fluido llegue con fuerza adecuada a la zona del rodete. A esta altura de presin positiva se le ha dado en llamar en forma abreviada NPSH, lo cual en ingls dice lo mismo.

Si vamos a las curvas caractersticas de la bomba encontraremos que adems de la curva de descarga que relaciona H (metros) con Q (m3/hora) y de la potencia absorbida (kW) que la relaciona con el caudal; hay otra curva que liga el NPSH (metros) con el propio caudal. All es posible encontrar la cantidad mnima de altura de presin requerida por la bomba, As, se le agrega el subndice r quedando NPSHr que en la mayora de los casos va desde 3 hasta 6 metros.

Si el sistema estanque-caeras no es capaz de proveer un NPSH mayor que el requerido, entonces se violar uno de los principios ms fundamentales de la mecnica de fluidos: la continuidad del flujo.

El sistema provee altura de presin a travs de la diferencia entre la presin atmosfrica y la tensin de vapor sobre la superficie del fluido del estanque: (pa-tv) (metros) Adems suma la propia altura geomtrica hg (metros) del nivel sobre el eje hidrulico de la caera de succin: (pa-tv+hg)

Pero luego debe sustraerse la cantidad de presin que se perdi en las turbulencias por singularidades bruscas y rozamientos en las paredes de las tuberas de succin: (pa-tv+hg-p) (metros) Si esta cantidad denominada NPSHd, o sea altura de presin neta disponible, no es superior al NPSHr se generar una condicin de inestabilidad en el estado lquido del fluido, que da lugar por presin insuficiente a la evaporacin instantnea del lquido en la caera en las proximidades del rodete e incluso en el interior de la propia bomba.

Las burbujas de vapor desplazan lquido y crean su propio espacio en el fluido. Pero la condicin que les permiti formarse: baja presin no persiste al entrar el flujo en la zona de alta presin del fluido debido a la inyeccin de energa que le suministra el motor que mueve el rodete. As es como las burbujas al encontrarse en dicha condicin implosionan para condensarse.

Pero esto lo hacen con una gran reduccin de volumen, de aproximadamente 100:1 lo cual significa que de 100 partes de espacio como vapor, 1 se convierte en gotita de agua y 99 en vaco absoluto.

La gota en este escenario se mueve de posicin en forma enloquecida buscando su estabilidad y lo hace a velocidades supersnicas que pueden superar los 30.000 km/hora. As sus impactos con las paredes del ducto, del cuello de la bomba y sus paredes y el rodete, son tales que picotean mecnicamente este entorno extrayendo material y afectando la condicin metalrgica de los componentes: Se le llama cavitacin.

El espectro de este fenmeno de cavitacin es una masa desordenada de seales de baja amplitud y ancha banda. Sus amplitudes raramente superan los 2 mm/s pero sus frecuencias van en forma casi continua desde 1,2x hasta 4,2x RPM.

La forma de solucionar este problema compete absolutamente a la ingeniera de procesos. Mantencin puede hacer muy poco para remediarlo.

8. DEFECTOS en la DESCARGA: OBSTRUCCIONES

La gran energa que aade la bomba deriva del hecho que se incrementa fuertemente la presin del fluido en la descarga. En efecto el caudal no puede incrementarse por el principio de continuidad y por ello tampoco la velocidad, que solo se incrementara si la seccin, o sea el rea del ducto se redujera.

Si la caera de descarga no tuviera singularidades bruscas el lquido se desplazara en forma laminar y las prdidas de carga seran mnimas. As el espectro vibratorio de una bomba en tales condiciones de descarga sera bastante limpio y slo destacara el pico frecuencial sincronizado con las RPM del rotor.

Sin embargo no pocas veces ello no sucede y nos encontramos con espectros bastante alterados, con picos frecuenciales distintos al descrito y con frecuencias de ruido por rozamientos.

Las causas de este fenmeno son tres:

Codos muy cerca del flanche de descarga

Estrangulaciones debidas a vlvulas de control

Obstrucciones en la caera por depsitos

Situar codos en la descarga cercanos a la bomba, es un error de ingeniera de diseo o de los montajistas. Un codo crea una situacin de reflejo snico, por cuanto la onda pulsante debida al desbalanceo residual del eje impulsor viaja a travs del lquido a la velocidad del sonido en el agua: 1.500 metros/ segundo. Esta onda viajera lleva la seal frecuencial 1xRPM hacia aguas abajo.

Si se encuentra con una pared en su camino, una parte de esta energa vibratoria se refleja en ella como eco y se desenvuelve aguas arriba. Al llegar a la bomba se encuentra con unos labes que avanzan chocando con ellos.

Estos impactos snicos se producen a razn de a x RPM siendo a= nmero de labes del impulsor. Como ellos poseen una direccin semi-tangencial y contra el avance del rodete, ejercen sobre este una fuerza torsionadora importante de ndole pulsante que afecta a la estabilidad torsional del eje, agregando un importante esfuerzo cortante que provoca fatiga torsora al eje. En este caso el riesgo de corte es manifiesto, en especial en la zona del rebaje donde va calado el impulsor.

El espectro frecuencial de este problema es la acusada presencia de la frecuencia Fpa= a x RPM (CPM) que es llamada frecuencia de paso de los labes, que permanece casi invariable en magnitud y frecuencia y que generalmente es mayor que la seal de 1 x RPM debida al desbalanceo residual del impulsor.

La solucin a este problema es de ingeniera de mantencin (que es el afectado) y supone colocar el codo a un mnimo de 30 dimetros por sobre el flanche de descarga. As nos aseguramos que la emisin pulsante se amortige lo suficiente como para emitir seales aceptables en magnitud.

Similar caso es el de las vlvulas de reguladoras de caudal en las cercanas de descarga. Tambin aqu se producen reflejos snicos con la nica diferencia que la posicin del obturador de la vlvula (generalmente tipo lenteja o mariposa) es variable en funcin de los comandos reguladores del propio proceso.

Es notable la dificultad que este hecho crea para la bomba, para su eficiencia y para la economa general del proceso. Afortunadamente, la tecnologa industrial puso en escena los Variadores de Frecuencia que han dejado fuera de uso las vlvulas de control. Efectivamente al variar la frecuencia de la onda elctrica alimentaria del motor, se puede regular caudales de modo de trabajar siempre en la curva de descarga ptima y en el PME = Punto de Mxima Eficiencia. Tres beneficios surgen de esta novedad ingenieril: ms larga vida a las bombas, menos fallas y trabajo imprevisto para los mantenedores y economa de energa para la Planta.

Finalmente debemos referirnos a los problemas que suscita la obstruccin de la caera de descarga debido a depsitos de material slido en las paredes. Ello sucede con bastante frecuencia en las bombas de plantas qumicas, que transportan soluciones salinas.

Muchas veces al bajar la temperatura la solucin es incapaz de mantener su condicin y las sales disueltas re-cristalizan depositndose en las paredes llegando en ciertas ocasiones, y sacando provecho de descuidos en la limpieza, a obstruir casi totalmente el paso del lquido. Esto sucede bastante con las bombas del patio de estanques de las plantas de ctodos de cobre y en las plantas qumicas de soluciones de nitratos, sulfatos y cloratos. Otro caso es el fluido con slidos definitivos en suspensin. Es el caso de las bombas de pulpa en plantas concentradoras de cobre, oro y plata en que las areniscas y el limo que acompaan a la pulpa mineral van depositndose en las paredes.

Similarmente en las plantas de celulosa y papel la pulpa maderera de adhiere a las paredes formando capas que una vez auto-compactadas son imposibles de sacra sin medios mecnicos muy fuertes. Las seales vibracionales de estos casos son parecidas y muestran una manifestacin desordenada, catica y amorfa en la zona de la Frecuencia de paso de los labes o sea entre 0,8 x Fpa y 1,2 x Fpa. Y ello se debe a que en este caso el reflejo snico corresponde a un eco difuso y de choques mltiples en muchas direcciones.

La solucin a estos problemas es de Operaciones y consiste en una limpieza peridica cada 15 das de las caeras antes que los depsitos endurezcan en demasa. Sin embargo, muchas veces es mejor y ms rpido el cambio de tramos completos inter-flanches por otro limpio de re-cambio.

CAPTULO 5DIAGNSTICO de DESALINEACIN de

ROTORESDIAGNSTICO de DESALINEACIN de ROTORESLa alineacin de machones siempre ha sido un problema para los mantenedores. Lo que sucede es que la falta de planificacin de los trabajos genera una imprevisin del tiempo total real de terminacin de las mantenciones. Si estas involucran desmontaje y montaje de bombas, reductores, ventiladores; en las etapas finales de ellos el tiempo apremia y la presin sobre los ejecutores es grande para devolver sin dilaciones el equipo a produccin. En tales circunstancias, el alineamiento generalmente debe ser sacrificado y para que decir de la comprobacin sintomtica del estado mecnico del equipo despus de la intervencin. Esta es la consecuencia de una planificacin y estandarizacin ausente o insuficiente en la preparacin de la OT.

No se alinea bien y slo se usa una reglilla cuya precisin es del orden de milmetros. Tampoco se mide el efecto vibracional de las fuerzas que la desalineacin produce sobre los cojinetes.

Hoy, con el apoyo de la OT planificada y pautada con estndares, el trabajo con buenos comparadores de cartula e incluso con alineadores pticos; es posible obtener resultados de calidad, con precisiones de micrones. Ms an, con el apoyo de un analizador espectral porttil es posible diagnosticar en terreno en el momento el resultado dinmico preciso de la alineacin efectuada y las correcciones necesarias.

Por estos motivos, y como una contribucin a la precisin de los alineamientos estamos presentando aqu un mtodo que utiliza a fondo la combinacin de mediciones en la verificacin de machones con las amplitudes espectrales de las seales 2x que son las ms caractersticas de las fuerzas generadas por las desalineaciones.

Los cuadros que siguen son auto-explicativos y proporcionan una gua de accin para diagnosticar estos problemas. Con este mtodo hemos curado la fatalidad del deterioro de rodamientos y elementos de acople y transmisin por defectos en la alineacin.

CAPTULO 6DIAGNSTICO

de FALLAS en RODAMIENTOS

DIAGNSTICO de FALLAS en RODAMIENTOSDebera estar de ms decir que uno de los desafos ms importantes en la carrera de un vibro-analista, es diagnosticar correctamente el estado mecnico de los rodamientos de un equipo. De por s, un prodigio de la micro-mecnica, como es hoy un rodamiento, merece anlisis profundos y cuidados delicados para evitar, postergar y anular la posibilidad de fallo. Juegos de 15 micrones, rugosidades del orden de 0,05 micrones y pelculas de lubricante protector del orden de 0,15 micrones acreditan dichas exactitudes. Por eso en este captulo introduciremos con decisin, conviccin y elegancia el ms eficaz mtodo de diagnstico de rodamientos y sus aplicaciones.

1. DEFECTO en el ORIGENUn rodamiento bien aplicado tiene juegos internos relativamente pequeos, del orden de decenas de micrones, razn por lo cual se espera que las fuerzas dinmicas que se generan por el movimiento del rotor y por el desarrollo de fallas internas, se transmitan eficientemente a la carcasa exterior. Ms, es un hecho que incluso los rodamientos nuevos vibran como resultado de imperfecciones de su asiento.

La amplitud de la seal vibratoria es baja y muchas veces es encubierta por vibracin de otro origen. Pero al iniciarse una falla: amplitud y distribucin espectral varan, aun cuando pueden ser eficazmente amortiguadas por las caractersticas dinmicas de la estructura soportante. Dos son los modos de falla ms habituales: descascarillado por fatiga mecnica y desgaste por abrasin, ambas aceleradas en caso de lubricacin insuficiente.

Como rodillos y bolas se desplazan girando y deslizndose, estos y la rodadura conllevan tendencia al desgaste abrasivo, cuando ingresan partculas extraas no metlicas. Tambin un incorrecto asentamiento del rodamiento en el alojamiento o eje, genera flexiones reiterativas con el resultado de fatigas aceleradas y nacimiento de micro-fisuras por deslizamientos relativos de las capas atmicas internas del metal.

El dao que se produce es superficialmente distribuido y origina un espectro continuo en altas frecuencias.

A su vez las fallas por descascarillado generan un espectro dual con leve actividad puntual en ciertas frecuencias propias del paso de los elementos y una fuerte y densa actividad en altas frecuencias. Experiencias controladas recomiendan el uso de acelermetros de amplio rango espectral y de sensores resonantes, como los ms apropiados para monitorear la evolucin del estado de un rodamiento. Los primeros son sensibles al crecimiento de ambas reas de frecuencia de la seal y los segundos se aplican a la zona de altas frecuencias.

2. PULSOS de ENERGACuando los defectos en las pistas de un rodamiento son slo incipientes se presenta un crecimiento de la actividad espectral en la zona ultrasnica entre los 30 y los 350 kHz. Una de las tcnicas ms conocidas es la de Medicin de Pulsos de Choque que utiliza un sensor resonante, que a la vez filtra la seal en una ventana de banda angosta a los 35 kHz y la amplifica a valores de salida adecuados. El mtodo SPM logr representar en un circuito electrnico la ecuacin de la energa de la onda impulso generada por un poln de rodamiento pasando sobre una rayadura en la pista. La intensidad relativa de dicho desarrollo anmalo lo expresa SPM indicando en una escala deciblica acotada, la condicin de la rodadura. La extensin del defecto hacia reas ms extensas de la rodadura tambin impresiona al instrumento con un valor basal en alza.

Como la ecuacin slo presume defectos en la rodadura, queda fuera la deteccin de solturas y juegos excesivos, caso bastante comn. Posteriormente SPM produjo una versin ms refinada de su tecnologa, que permite identificar ciertas condiciones incipientes de defecto de lubricacin. Esto lo ha hecho mediante la medicin de la pelcula de lubricante que es, como sabemos, un factor de vital importancia en la proteccin del rodamiento contra el desarrollo de rozamientos internos que crean, precipitan o acentan rayaduras o microfisuras en la rodadura.

Bsicamente estas tcnicas de impulsos de choque sensan las mini explosiones o destellos de energa, que se producen en la estructura granular de los metales al generarse fracturas internas de sus enlaces metalrgicos. Y esto es, precisamente, lo que ocurre a menudo en el nacimiento de las micro-grietas bajo la superficie de rodadura de los rodamientos. En ciertos casos puede ser conveniente conocer el momento del nacimiento de un defecto, pero dado que an est lejos del momento crtico de la falla, el inters prctico de tal conocimiento es discutible.

Pero es absolutamente necesario expresar aqu que este mtodo aplicado en la prctica ha resultado funesto en muchos casos. Los especificaremos: no se debe usar ni en motores CC, ni en accionamientos por poleas y correas ni engranes sinfn-corona. Y ello se debe a que en cada uno de estos casos por efecto natural de los rozamientos de un elemento con otro se generan destellos de energa acstica debido a la destruccin de micro-enlaces metalrgicos en la masa del acero comprometido. Estas emisiones US se producen en las frecuencias altas en que registran los aparatos medidores. Como consecuencia de su uso en dichos casos ha habido extracciones de muchos rodamientos sanos con el consiguiente disgusto de los mantenedores y responsables. Se debe restringir al mximo su uso o no usarlo dado que las tcnicas espectrales superan estos problemas.

3. FRECUENCIAS de PASO

La historia de nuestro rodamiento contina y si posteriormente, por efecto de reiterado uso, se muestra una picadura, se dice que la seal vibratoria puede ser influida por la presencia de pequeas amplitudes ligadas a la frecuencia de paso de los elementos rodantes por las pistas. Dichas frecuencias dependen, obviamente, de las dimensiones del rodamiento y de su forma, lo cual se expresa en frmulas un tanto complicadas que usan parmetros que no son de dominio de los mantenedores. Ellas son:

Frecuencia de Paso por Pista Externa:

FPPE = n * (1 db/Dm * cos() * RPM

Frecuencia de Paso por Pista Interna:

FPPI = n * (1 + db/Dm * cos() * RPM

Frecuencia de Rotacin de la Bola:

FRB = * Pd/Bd * [1 (Bd/Pd * cos()] * RPM

Frecuencia de Paso de la Jaula:

FPJ= * (1 Bd/Pd * cos() * RPM

En estas frmulas la nomenclatura usada es:

db = Dimetro de la Bola o Poln

n = Nmero de Bolas o Polines

Dm = Dimetro del Recorrido de Bolas( = ngulo de Contacto de Bolas

No debemos olvidar, en todo caso, que la emisin de seales vibratorias que surge de las fuerzas derivadas de golpecillos en picaduras de los elementos son esencialmente no peridicas y azarosas. Adems la conducta dinmica de los bolos o polines es compleja y catica. O sea que no es seguro que se encontrarn las frecuencias anmalas en el lugar predicho por las frmulas. Adems una fluida lubricacin puede ocultar o afectar la permanencia de estos valores. Lo ms probable es que el rodamiento an est en condiciones de trabajar bien por un buen tiempo an. Esto significa que no se debe proceder a su cambio slo por la aparicin de una frecuencia de paso en el espectro, sino esperar seales de agravamiento ms certeras. Adems ha sucedido en innumerables o