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EDUCACIÓN
Diferentes Tipos de Vibraciones
Mecánicas
CONTENIDO
La razón principal
para analizar y diagnosticar el estado de una maquina es determinar
las medidas necesarias para corregir la condición de vibración –
reducir el nivel de las fuerzas vibratorias no deseadas y no
necesarias. De manera que, al estudiar los datos, el interés
principal deberá ser la identificación de las amplitudes
predominantes de la vibración, la determinación de las causas, y la
corrección del problema que ellas representan.
El siguiente material
muestra los diferentes causas de vibración y sus consecuencias, lo
cual nos ayudara enormemente para interpretar los datos que podamos
obtener , determinado así el tipo de vibración que se presenta y
buscar así la debida corrección de las mismas.
Vibración Debida a
Desbalance
El desbalance de la
maquinaria es una de las causas más comunes de la vibración. En
muchos casos, los datos arrojados por un estado de desbalance indican:
-
La frecuencia de
vibración se manifiesta a 1x las rpm de la pieza desbalanceada.
-
La amplitud es
proporcional a la cantidad de desbalance.
-
La amplitud de la
vibración es normalmente mayor en el sentido de medición radial,
horizontal o vertical (en las maquinas con ejes horizontales).
-
El análisis de
fase indica lecturas de fase estables.
-
La fase se
desplazará 90º si se desplaza el captador 90º.
Nota:
el desbalance de un rotor saliente a menudo tiene como resultado una
gran amplitud de la vibración en sentido axial, al mismo tiempo que
en sentido radial.
Vibración debida a falta de alineamiento
En la mayoría de los
casos los datos derivados de una condición de falta de alineamiento
indican lo siguiente:
-
La frecuencia de
vibración es de 1x rpm; también 2x y 3x rpm en los casos de una
grave falta de alineamiento.
-
La amplitud de la
vibración es proporcional a la falta de alineamiento.
-
La amplitud de la
vibración puede ser alta también en sentido axial, además de
radial.
-
El análisis de
fase muestra lecturas de fase inestables.
La falta de
alineamiento, aun con acoplamientos flexibles, produce fuerzas tanto
radiales como axiales que, a su vez, producen vibraciones radiales y
axiales.
Nota:
Uno de los indicios más importantes de problemas debidos a falta de
alineamiento y a ejes torcidos es la presencia de una elevada vibración
en ambos sentidos, radial y axial. En general, cada vez que la
amplitud de la vibración axial sea mayor que la mitad de la lectura
radial más alta, hay un buen motivo de sospechar la existencia de un
problema de alineamiento o eje torcido.
Los tres tipos básicos
de falta de alineamiento en el acoplamiento son:
angular, en paralelo y una combinación de ambos.
Una falta de
alineamiento angular sujeta principalmente a los ejes de las maquinas
accionadoras y accionadas a vibración axial igual a la velocidad de
rotación (rpm) del eje.
La falta de
alineamiento en paralelo
produce principalmente vibración radial con una frecuencia igual al
doble de la velocidad de rotación del eje.
Vibración debida a
Excentricidad
La excentricidad es
otra de las causas comunes de vibración en la maquinaria rotativa.
Excentricidad en este caso no significa "ovalización", sino
que la línea central del eje no es la misma que la línea central del
rotor – el centro de rotación verdadero difiere de la línea
central geométrica.
La excentricidad es en
realidad una fuente común de desbalances, y se debe a un mayor peso
de un lado del centro de rotación que del otro.
Una manera de
diferenciar entre desbalance y excentricidad en este tipo de motor es
medir la vibración con filtro afuera mientras el motor está
funcionando bajo corriente. Luego, se desconecta el motor, observando
el cambio de la amplitud de vibración. Si la amplitud se reduce
gradualmente mientras el motor sigue girando por inercia, es muy
probable que el problema sea debido a desbalance; Si, en cambio, la
amplitud de vibración desaparece en el momento mismo en que el motor
es desconectado, el problema es seguramente de naturaleza eléctrica,
y es muy posible que se deba a excentricidad del inducido.
La excentricidad en
rodetes o rotores de ventiladores, sopladores, bombas y compresores
puede también crear fuerzas vibratorias. En esos casos las fuerzas
son el resultado de fuerzas aerodinámicas e hidráulicas desiguales
que actúan contra el rotor.
De elementos
rodantes Defectuosos
Defectos en las pistas,
en las bolas o en los rodillos de rodamientos de elementos rodantes
ocasionan vibración de alta frecuencia; y, lo que es mas, la
frecuencia no es necesariamente un múltiplo integral de la velocidad
de rotación del eje. La amplitud de la vibración dependerá de la
gravedad de la falla del rodamiento.
Nota:
la vibración generada por el rodamiento normalmente no es transmitida
a otros puntos de la máquina. Por lo tanto, el rodamiento defectuoso
es generalmente el que se encuentra más cerca del punto donde ocurre
el mayor nivel de vibración de este tipo.
Falla de Rodamientos
– Otras causas
Los rodamientos no
fallan prematuramente a menos que alguna otra fuerza actúe sobre
ellos; y tales fuerzas son generalmente las mismas que ocasionan
vibración.
Causas comunes de
fallas en los rodamientos de elementos rodantes:
-
Carga excesiva
-
Falta de
alineamiento
-
Defectos de
asientos del eje y/o de las perforaciones en el alojamiento
-
Montaje defectuoso
-
Ajuste incorrecto
-
Lubricación
inadecuada o incorrecta
-
Sellado deficiente
-
Falsa brinelación
(Deformación bajo carga)
-
Corriente eléctrica
Vibración debida a
rodamientos de chumacera defectuosos
Elevados niveles de
vibración, ocasionados por rodamientos de chumacera defectuosos, son
generalmente el resultado de una holgura excesiva (causada por
desgaste debido a una acción de barrido o por erosión química),
aflojamientos mecánicos (metal blanco suelto en el alojamiento), o
problemas de lubricación.
-
Holgura excesiva de
los rodamientos
Un rodamiento de
chumacera con holgura excesiva hace que un defecto de relativamente
menor importancia, tal como un leve desbalance o una pequeña falta
de alineamiento, u otra fuente de fuerzas vibratorias, se
transformen como resultado de aflojamientos mecánicos o en golpes
repetidos (machacado).
En tales casos el
rodamiento en si no es lo que crea la vibración;
pero la amplitud de la misma seria mucho menor si la holgura de los
rodamientos fuera correcta.
A menudo se puede
detectar un rodamiento de chumacera desgastado por
"barrido" efectuando una comparación de las amplitudes de
vibración horizontal y vertical. Las maquinas que están
montadas firmemente sobre una estructura o cimentación rígidas
revelaran, en condiciones normales, una amplitud de vibración
ligeramente más alta en sentido horizontal.
-
Torbellino de
aceite
Este tipo de vibración
ocurre solamente en maquinas equipadas con rodamientos de chumacera
lubricados a presión, y que funcionan a velocidades relativamente
altas – normalmente por encima de la segunda velocidad critica del
motor.
La vibración debida a
torbellinos de aceite a menudo es muy pronunciada, pero se reconoce fácilmente
por su frecuencia fuera de lo común. Dicha frecuencia es
apenas menor de la mitad de la velocidad de rotación (en rpm) del eje
– generalmente en el orden del 46 al 48% de las rpm del eje.
El problema de los
torbellinos de aceite normalmente se atribuye a diseño incorrecto del
rodamiento, desgaste excesivo del rodamiento, un aumento de la presión
del lubricante o un cambio de la viscosidad del aceite.
Se pueden hacer
correcciones temporales
modificando la temperatura del aceite (viscosidad), introduciendo un
leve desbalance o una falta de alineamiento de manera de aumentar la
carga sobre el eje, o rascando y/o ranurando los costados del
rodamiento, para desbaratar la "cuña" de lubricante. Desde
luego, una solución más duradera es reemplazar el rodamiento
con uno que haya sido diseñado correctamente de acuerdo a las
condiciones operativas de la maquina, o con uno que esté diseñado
para reducir la posibilidad de formación de torbellinos de aceite.
Los rodamientos con
ranuras axiales usan las
ranuras para aumentar la resistencia a la formación de torbellinos de
aceite en tres puntos espaciados uniformemente. Este tipo de
configuración está limitado a las aplicaciones más pequeñas, tales
como turbinas de gas livianas y turbocargadores.
Los rodamientos de
chumacera de lóbulos brindan
estabilidad contra los torbellinos de aceite al proporcionar tres
puntos ce concentración de la película de aceite bajo presión, que
sirven para centrar al eje.
Los rodamientos de riñón
basculante son comúnmente utilizados para las maquinas industriales más
grandes, que funcionan a velocidades más altas.
Hay dos causas comunes
de vibración que pueden inducir un torbellino de aceite en un
rodamiento de chumacera:
-
Vibración
proveniente de maquinaria ubicada en las cercanías:
Puede ser transmitida al rodamiento de chumacera a través de
estructuras rígidas, tales como tuberías y cimentaciones. A este
fenómeno se le conoce como Torbellino Inducido por el
Exterior.
-
Vibración
ocasionada por otros elementos de las maquina misma.
Toda vez que se detecta
la vibración característica del torbellino de aceite se deberá
realizar una completa investigación de las vibraciones en toda la
instalación, incluyendo las fuentes de vibración circunvecina, la
estructuras de cimentación y las tuberías relacionadas. Se podrá así
quizás descubrir una causa externa de los problemas de torbellino de
aceite.
-
Torbellinos de Histéresis
Este tipo de vibración
es similar a la vibración ocasionada por el torbellino de aceite,
pero ocurre a frecuencias diferentes, cuando el rotor gira entre la
primera y la segunda velocidad critica.
Un rotor que funcione
por encima de la velocidad critica tiende a flexionarse, o asquearse,
en sentido opuesto del punto pesado de desbalance. La amortiguación
interna debida a histéresis, o sea la amortiguación de fricción,
normalmente limita la deflexión a niveles aceptables. Sin embargo,
cuando acontece un torbellino por histéresis, las fuerzas
amortiguadoras se encuentran en realidad en fase con la deflexión, y
por lo tanto, acrecentan la deflexión del motor.
Cuando dicho rotor está
funcionando por encima de la primera velocidad critica pero por debajo
de la segunda, el torbellino por histéresis ocurre a una frecuencia
exactamente igual a la primera velocidad critica del rotor.
Nota:
La frecuencia de formación del torbellino de aceite es levemente
menor de la mitad de la velocidad de rotación del rotor.
La vibración
ocasionada por un torbellino por histéresis tendrá la misma características
que las ocasionadas por un torbellino de aceite cuando la maquina
funcione a velocidades superiores a la segunda velocidad critica del
eje. Es decir, que una severa vibración se producirá a una
frecuencia levemente menor que 0.5x las rpm del rotor.
El torbellino por histéresis
es controlado normalmente por
la acción de amortiguación provista por los rodamientos de chumacera
en si. Sin embargo, cuando la amortiguación estacionaria es baja en
comparación con la amortiguación interna del rotor, es probable que
se presenten problemas. La solución usual para este problema es
aumentar la amortiguación estacionaria de los rodamientos y de la
estructura de soporte de los mismos, lo que puede lograrse instalando
un rodamiento de riñón basculante o de algún rodamiento de diseño
especial. En algunos casos el problema puede ser solucionado
reduciendo la amortiguación dada por el rotor – sencillamente,
cambiando un acoplamiento de engranajes con una versión sin fricción;
por ejemplo, con un acoplamiento de disco flexible.
Lubricación
Inadecuada
Una inadecuada
lubricación, incluyendo la falta de lubricación y el uso de
lubricantes incorrectos, puede ocasionar problemas de vibración en un
rodamiento de chumacera. En semejantes casos la lubricación
inadecuada causa excesiva fricción entre el rodamiento estacionario y
el eje rotante, y dicha fricción induce vibración en el rodamiento y
en las demás piezas relacionadas. Este tipo de vibración se llama "dry
whip", o sea látigo seco, y es muy parecido al pasar de un
dedo mojado sobre un cristal seco.
La frecuencia de la
vibración debida al látigo seco generalmente es muy alta y produce
el sonido chillón característicos de los rodamientos que están
funcionando en seco. No es muy probable que dicha frecuencia sea algún
múltiplo integral de las rpm del eje, de manera que no es de
esperarse ningún patrón significativo bajo la luz estroboscópica.
En este respecto, la vibración ocasionada por el látigo seco es
similar a la vibración creada por un rodamiento antifriccion en mal
estado.
Toda vez que se
sospeche que un látigo seco sea la causa de la vibración se deberá
inspeccionar el lubricante, el sistema de lubricación y la holgura
del rodamiento.
Vibración debida a
Aflojamiento Mecánico
El aflojamiento mecánico
y la acción de golpeo (machacado) resultante producen vibración a
una frecuencia que a menudo es 2x, y también múltiplos más
elevados, de las rpm. La vibración puede ser resultado de pernos de
montaje sueltos, de holgura excesiva en los rodamientos, o de fisuras
en la estructura o en el pedestal de soporte.
La vibración característica
de un aflojamiento mecánico es generada por alguna otra fuerza de
excitación, como un desbalance o una falta de alineamiento. Sin
embargo, el aflojamiento mecánico empeora la situación,
transformando cantidades relativamente pequeñas de desbalance o falta
de alineamiento en amplitudes de vibración excesivamente altas.
Corresponde por lo tanto decir que el aflojamiento mecánico permite
que se den mayores vibraciones de las que ocurrirían de por sí,
derivadas de otros problemas.
Nota:
Un aflojamiento mecánico excesivo es muy probable que sea la causa
primaria de los problemas cuando la amplitud de la vibración 2x las
rpm es más de la mitad de la amplitud a la velocidad de rotación, 1x
las rpm.
Vibración debida a las
Bandas de Accionamiento
Las bandas de
accionamiento del tipo en "V" gozan de mucha popularidad
para la transmisión del movimiento puesto que tienen una alta
capacidad de absorción de golpes, choques y vibraciones.
Los problemas de
vibración asociados con las bandas en "V" son clasificados
generalmente por:
Reacción de la banda
a otras fuerzas, originadas por el equipo presente, que causan
alteraciones.
Vibraciones creadas
por problemas de la banda en sí.
Las bandas en
"V" son consideradas a menudo como fuente de vibración
porque es tan fácil ver las bandas que saltan y se sacuden entre
poleas. Por lo general, el reemplazo de las bandas es a menudo una de
las primeras tentativas de corrección de los problemas de vibración.
Sin embrago es muy
posible que la banda esté sencillamente reaccionando a otras fuerzas
presentes en la maquina. En tales casos las banda es solamente un
indicador de que hay problemas de vibración y no representan la causa
misma.
La frecuencia de
vibración de las bandas es el factor clave en la determinación de la
naturaleza del problema. Si la banda está sencillamente reaccionando
a otras fuerza de alteración, tales como desbalance o excentricidad
en las poleas, la frecuencia de vibración de la banda será muy
probablemente igual a la frecuencia alterante. Esto significa que la
pieza de la maquina que realmente está causando el problema aparecerá
estacionaria bajo la luz estroboscópica del analizador.
Nota:
Si es defecto de la banda la frecuencia de vibración será un múltipla
integral –1,2,3 ó 4 – de las rpm de la banda. El múltiplo
verificado dependerá de la naturaleza del problema y de la cantidad
de poleas, sea de accionamiento como locas, presentes en el sistema.
Es fácil determinar
las rpm de una banda de la siguiente manera:
Rpm de la banda =
(3.14 x diám. de la polea x rpm de la polea)/ longitud de la banda.
Vibración debida a
Problemas de Engranaje
La vibración que
resulta de problemas de engranaje es de fácil identificación porque
normalmente ocurre a una frecuencia igual a la frecuencia de
engrane de los engranajes – es decir, la cantidad de dientes del
engranaje multiplicada por las rpm del engranaje que falla.
Problemas comunes de
los engranajes, que tienen como resultado vibración a la frecuencia
de engrane, comprenden el desgaste excesivo de los dientes,
inexactitud de los dientes, fallas de lubricación y materias extrañas
atrapadas entre los dientes.
No todos los problemas
de engranajes generan frecuencias de vibración iguales a las
frecuencias de engrane. Si un engranaje tiene un solo diente roto o
deformado, por ejemplo, el resultado puede ser una frecuencia de
vibración de 1x las rpm. Mirando la forma de onda de esa vibración
en un osciloscopio conectado con un analizador, la presencia de señales
de impulso permitirá distinguir entre este problema y las demás averías
que también generan frecuencias de vibración de 1x las rpm. Desde
luego, si hay más de un diente deformado, la frecuencia de
vibración es multiplicada por una cantidad correspondiente.
La amplitud y
frecuencia de vibración debida a los engranajes pueden también
parecer erráticas a veces. Dicho tipo de vibración errática ocurre
normalmente cuando un conjunto de engranajes está funcionando en
condiciones de carga muy liviana. En tales condiciones la carga puede
desplazarse repetidamente de un engranaje a otro de modo irregular.
Nota: Los problemas de
rodamientos son predominantes en el punto de falla de los mismos,
mientras que los problemas de engranajes pueden ser detectados en dos
o más puntos de la maquina.
Vibración debido a
Fallas Eléctricas
Esté tipo de vibración
es normalmente el resultado de fuerzas magnéticas desiguales que actúan
sobre el rotor o sobre el estator. Dichas fuerzas desiguales pueden
ser debidas a:
Rotor que no es
redondo
Chumaceras del
inducido que son excéntricas
Falta de alineamiento
entre el rotor y el estator; entrehierro no uniforme
Perforación elíptica
del estator
Devanados abiertos o
en corto circuito
Hierro del rotor en
corto circuito
En líneas generales,
la frecuencia de vibración resultante de los problemas de índole eléctrica
será 1x las rpm, y por tanto se parecerá a desbalance. Una manera
sencilla de hacer la prueba para verificar la presencia eventual de
vibración eléctrica es observar el cambio de la amplitud de la
vibración total (filtro fuera) en el instante en el cual se
desconecta la corriente de esa unidad. Si la vibración desaparece
en el mismo instante en que se desconecta la corriente, el
problema con toda posibilidad será eléctrico. Si solo decrece
gradualmente, el problema será de naturaleza mecánica.
Las vibraciones
ocasionadas por los problemas eléctricos responden generalmente a la
cantidad de carga colocada en el motor. A medida que se modifica la
carga, la amplitud y/o las lecturas de fase pueden indicar cambios
significativos. Esto explica por qué los motores eléctricos que han
sido probados y balanceados en condiciones sin carga muestran cambios
drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos
en servicio.
Diferentes Tipos de
Vibraciones Mecánicas
Ramón F. Mateo G.
Estudiante de Termino Ingeniería Electromecánica
Ing_electronico@hotmail.com
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