1. Educación

MANTENIMIENTO
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Dime Cómo Vibra
y te Diré qué Tiene
Metal Actual
85% de
las fallas
se pueden
anticipar.
Las vibraciones tienen
efectos negativos sobre
los componentes de una
máquina. El monitoreo
de éstas permite
identificar la mayoría
de las fallas primarias
como el desbalanceo,
desalineación, holgura
mecánica, fricciones
abrasivas y el desgaste en
engranajes y rodamientos.
El 8 de septiembre de 1989, el vuelo chárter 304 de Partnair, que viajaba de Noruega a Alemania, se estrelló en
las costas danesas. Inicialmente, se planteó la hipótesis
de un atentado terrorista; sin embargo, y tras exhaustivas pruebas, los investigadores concluyeron que la
aeronave sufrió un exceso de vibración que debilitó los
anclajes y provocó una falla en el timón de cola. Como
consecuencia de un error en el plan de mantenimiento
de esta aeronave, murieron 55 personas y la aerolínea
salió de negocio poco tiempo después.
El nivel de responsabilidad que se le exige a las empresas aeronáuticas, para efectuar el mantenimiento de sus
activos, debería ser aplicable en general al sector productivo pues todas aquellas empresas que utilizan maquinaria, están expuestas a que sus equipos fallen en
cualquier momento y, por esa vía, a perder mucho más
que dinero.
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Nada se Detiene, Todo Vibra
Foto: azimadli.com
La pregunta es: ¿cuál es la razón de
analizar las vibraciones? Pues bien,
se ha demostrado a lo largo de estudios que la forma de vibración de
una máquina en operación entrega
más información acerca del funcionamiento interno del equipo que
cualquier otra clase de prueba no
destructiva.
El análisis de vibraciones reduce al mínimo los tiempos muertos y garantiza que
la maquinaria trabaje a su máxima capacidad, sin sobre esfuerzos.
Lo que poco se conoce, es que la gran
mayoría de las fallas en las máquinas
no se presentan de manera brusca;
en general, son el resultado de un
periodo de desgaste progresivo. Por
lo que, establecer una cadena de
confiabilidad y realizar un plan de
mantenimiento correcto puede llevar a detectar y cuantificar las probables fallas, además de predecir el
momento del colapso con semanas,
meses o años de anticipación.
De esto se trata el mantenimiento
predictivo, una de las herramientas
más importantes para registrar, monitorear, cuantificar y evaluar el estado de las máquinas de una planta.
Entre mayor y mejor sea la información que posee un operador acerca
del funcionamiento de su equipo
de trabajo; mejor será el aprovechamiento del mismo.
Actualmente, existen diferentes tipos de ensayos para el diagnóstico
predictivo. Entre otros: el análisis de
vibraciones, análisis espectográfico, de aceites, termografía, análisis
de energía y tintas penetrantes. Es
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normal recurrir a más de uno de los
métodos para establecer las causas
de las fallas o predecirlas.
Aunque todas estas técnicas constituyen herramientas muy útiles a la
hora de ejecutar el plan de mantenimiento, en este caso se abordará
el tema a partir de uno de los métodos qué más aplicación tiene en la
metalmecánica: el análisis de vibraciones, ya que éste se utiliza sobre
todo para monitorear el estado de
las máquinas rotativas, entre otras
los tornos, fresadoras, taladros, pulidoras y prensas, muy comunes en el
procesamiento de los metales.
Al respecto, el ingeniero Andrés
Mendoza, experto de Diteinco Ltda,
compañía bogotana prestadora de
servicios de mantenimiento, explica
que el objetivo del análisis de vibraciones es establecer las fallas de una
máquina al momento de su revisión;
además, predecir problemas a corto
y mediano plazo, a partir de las vibraciones inherentes a su funcionamiento y, de esta manera, anticiparse a los riesgos.
En general, la vibración en una máquina es perjudicial; puede causar
desalineamientos, fisuras en los componentes, desgaste de rodamientos,
desbalanceo, rotura de aislantes y
exceso de ruido, entre otros graves
problemas. Pero, al mismo tiempo,
es el mejor indicador de la condición mecánica de las máquinas y la
evolución del problema. Cuando las
vibraciones superan los rangos establecidos para la máquina, le sirven al
analista para descubrir la causa de la
falla y plantear soluciones.
Se estima que cerca del 90 por ciento de las fallas en maquinarias están
precedidas por un cambio en sus vibraciones y el 85 por ciento de éstas,
pueden identificarse con el estudio
de las variables vibratorias.
Básicamente, las vibraciones están
directamente relacionadas con la
vida útil de los equipos de dos maneras: por un lado un bajo nivel de
vibraciones es una indicación de que
la máquina funcionará correctamente durante un largo período de
tiempo, mientras que un aumento
en sus niveles constituye un síntoma
de que se encamina hacia algún tipo
de falla.
Una vibración es un movimiento
oscilatorio de pequeña amplitud. De
acuerdo a esto, las máquinas presentan
su propia señal de vibración y en ella se
encuentra la información de cada uno de
sus componentes.
Según aclara el ingeniero Mendoza,
no se trata de eliminar las vibraciones, ya que esto es físicamente imposible. De hecho, si un equipo no
vibra, no está en funcionamiento y,
por ende, es un activo improductivo.
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Una vez termina la recopilación de
los datos, el experto transfiere la información obtenida al PC, y a través
de un software especial, grafica la
señal para un mejor análisis. El valor
global obtenido es comparado con
los datos recomendados por el fabricante, para hallar las diferencias entre ambos registros. Además de los
datos del fabricante, existen tablas
normalizadas que pueden utilizarse
para tal efecto, las más conocidas y
aplicadas en Colombia son la norma
ISO y las tablas de Charlotte1.
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El esquema muestra cómo sería la captura de la información desde una máquina para luego ser analizada.
Los picos altos son característicos de diferentes tipos
de fallas.
Así las cosas, este análisis se concentra en evaluar aquellas vibraciones
que deben ser corregidas y en determinar un nivel adecuado, para
que el sistema se desempeñe bien
hasta el próximo mantenimiento
programado. O para realizarlo inmediatamente, según los problemas
encontrados o las necesidades de la
gerencia. En últimas, el análisis de
las vibraciones minimiza los tiempos
muertos de la máquina y optimiza la
producción.
Ahora bien, este diagnóstico no
puede realizarse en cualquier parte
de la máquina, ya que hay partes
que pueden mostrar un dato más
exacto y confiable que otras. Por
esto, el analista debe ubicar los llamados puntos de prueba en tres direcciones: vertical, horizontal y axial.
Después, con ayuda del transductor
(dispositivo que transforma la vibración física en una señal eléctrica),
hay que tomar los datos colocando
el sensor lo más cerca posible de los
puntos de rodamiento. Los colectores de datos están basados en tecnología de Procesamiento Digital de
Señales (DSP).
Típicamente hay cuatro tipos de sensores, transductores o colectores de
vibraciones:
• Sensor de desplazamiento relativo sin contacto.
• Sensor de desplazamiento relativo con contacto.
• Sensor de velocidad o
velocímetro.
• Sensor de aceleración o
acelerómetro.
El acelerómetro tiene la ventaja
respecto al velocímetro de ser más
pequeño, tener mayor rango de frecuencia, y poder integrar la señal
para obtener velocidad o desplazamiento vibratorio. El sensor de desplazamiento se utiliza para medir
directamente el movimiento relativo
del eje de una máquina respecto a
su descanso.
En general, son instrumentos que
registran el comportamiento de las
vibraciones en términos de su amplitud –el máximo valor que presenta
una onda–. A su vez, la amplitud de
una vibración se puede medir bajo
diferentes variables, para vibraciones mecánicas (maquinaria rotativa)
lo más común es hacerlo en unidades de desplazamiento (mm), velocidad (mm/s) y de aceleración (mG, G
o mm/s).
Cada valor muestra amplitudes características asociadas un problema
mecánico particular. Por ejemplo,
la medida en desplazamiento es importante para reconocer patrones
que están a muy baja frecuencia,
que indican anormalidades en chumaceras de aceite.
Por su parte, el registro en velocidad
permite identificar la mayoría de las
fallas primarias como el desbalanceo, desalineación, holgura mecánica, fricciones abrasivas, resonancias,
pulsaciones, y engranajes de pocos
dientes. La medida en aceleración
permite reconocer patrones asociados a contactos metal-metal y fricciones abrasivas, problemas en engranajes, cavitación, entre otros.
La toma de los datos en todas las direcciones y unidades de medida, es necesaria debido a que algunos problemas
de las máquinas rotativas se manifiestan más en una dirección y unidad que
en otras. Esta predicción requiere corroboración para mayor seguridad.
Este análisis debe realizarse periódicamente, cada dos o tres meses, según
los requerimientos y las características
de la maquinaria y de la producción.
El monitoreo frecuente contribuye a
establecer tendencias más precisas.
Cuando la tendencia respecto al tiempo permanece estable, el equipo se
encuentra trabajando correctamente
y el riesgo de falla disminuye; por el
contrario, si llega a presentarse un
crecimiento grande, acercándose a
una elevación exponencial de la vibración, en la mayoría de los casos es porque se acerca una falla de la máquina.
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Es importante mencionar que las normas ISO y las tablas
de Charlotte1, sólo entregan valores de referencia. El nivel de vibraciones depende de la energía total entregada a la máquina, al igual que de los parámetros de operacionales, que incluyen factores como la velocidad de
trabajo, potencia, presión, tiempo del proceso y voltajes
recibidos, entre otros.
La máquina a analizar deberá estar en condiciones de
operación normal, debido a que si no lo estuviere así,
los resultados serían irreales, además que no podría
identificarse si existe una tendencia. Posiblemente
existan niveles de vibración que no procedan de la
máquina a estudiar, sino de máquinas vecinas; es por
ello que deberán también estar en funcionamiento los
equipos, es decir, repetir las operaciones habituales
para encontrar resultados más exactos, sin modificar
nada.
Una máquina de gran tamaño tendrá obviamente mayores valores globales de vibraciones que, por ejemplo, un motor de 1.0 HP. Por ello, además de las tablas
y la norma, como en un buen médico, la experiencia y
el conocimiento del analista influye en lo acertado del
diagnóstico.
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Valores de referencia de amplitud de vibración para analizar la condición mecánica de una máquina, según su
clasificación.
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Los distintos niveles recomendables de vibración según
el tipo de máquina están en las normas. Por ejemplo, la
ISO 1086-1 que clasifica los equipos en grupos según la
potencia y robustez, así:
• Grupo K: máquinas con motores eléctricos hasta 15 kW.
• Grupo M: maquinaria con motores eléctricos de 15 a 75 kW.
• Grupo G: máquinas con motores superiores a 75 kW,
también denominados grandes motores.
• Grupo T: turbomáquinas.
Ventajas del Análisis de Vibraciones
• La recopilación de los datos se realiza cuando la máquina está en funcionamiento, así que no hay paradas ni
tiempos muertos por esta razón.
• Reducción de los costos de mantenimiento correctivo.
• Reducción en inventarios en cuanto a repuestos.
• Mayor calidad en las reparaciones.
• Mejores condiciones de seguridad.
• Reducción de tiempos muertos inesperados.
• Extensión de la vida útil del equipo.
• Puede incrementar la velocidad de la producción y producir a buen tiempo las órdenes de producción.
Causas más Comunes de Fallas
• Desbalanceo: una pieza se encuentra desbalanceada cuando su centro de masa (centro de gravedad) no
coincide con su centro geométrico. Esta condición es
causada por una distribución desigual del peso del rotor alrededor de su centro geométrico. Por ejemplo, las
piezas que han sido fundidas presentan diversos niveles
de porosidad, razón por la que su centro geométrico no
coincide con el centro de masa, por lo cual, la pieza se
encontrará inherentemente desbalanceada.
Existe cierto grado de desbalance en todas las máquinas
rotativas. Por ello, los diseñadores de máquinas las especifican con tolerancias de diseño, maquinado y ensamblaje, tales tolerancias pueden producir algún tipo de
desequilibrio o desbalance.
Adicionalmente, se puede presentar desbalance debido
a pequeñas variaciones dentro de la composición metalúrgica del rotor. Aun cuando, la mayoría de los rotores
son balanceados por el fabricante después del proceso
de manufactura y antes de ser utilizados ya armados en
sus respectivas máquinas. El paso del tiempo y ciertas
condiciones en el proceso de montaje, inciden en que
la máquina vibre y que sus componentes deban ser
re-equilibrados
• Desalineamiento: Se dice que dos piezas o componentes
de máquina se encuentran desalineadas cuando los ejes
de la parte conductora (motriz) y conducida no tienen
la misma línea de centros. El desalineamiento puede ser
paralelo, angular o una combinación de ambos.
• Reduce la pérdida de materia prima.
• Aumenta la probabilidad de calidad en los productos.
Foto: i28.ph
Foto: alliedreliabilityblog.com
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• La reducción de costos de mantenimiento pueden aumentar las ganancias de la empresa o la posibilidad de
inversión.
El 90% de las fallas por desgaste de piñones y rodamientos se pueden anticipar con el análisis de
vibraciones.
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El desalineamiento angular ocurre cuando el eje del motor y el eje conducido unidos en el acople, no son paralelos. Por su parte, en el paralelo los ejes del motor y del
rotor conducido están paralelos, pero no son colineales.
Muchas veces los ejes no se encuentran desalineados,
pero si el acople está torcido, debido a esfuerzos de trabajo o por fallas de construcción, esto llevará inevitablemente a sufrir problemas de desalineamiento.
• Partes Flojas: Como su nombre lo indica es causada cuando la unión mecánica entre dos o más componentes de
un sistema falla. Por ejemplo, cuando una parte o estructura de una máquina se encuentra floja (pernos de
anclaje flojos o rotos), el grafico del análisis de vibraciones presenta picos a la frecuencia de rotación y a múltiplos de ella, incluso en los casos en que la vibración es severa pueden aparecer picos (armónicos) a la mitad de la
frecuencia de giro del equipo. Una vez que la máquina
es empotrada firmemente al piso los picos desaparecen.
• Fallas en rodamiento: Los rodamientos de elementos
rodantes tienen muchos usos en la maquinaria moderna, se los puede encontrar en motores, turbinas a gas,
bombas y muchas otras máquinas. La mayoría de los
programas de mantenimiento predictivo que emplean
análisis de vibraciones son puestos en marcha con la finalidad inicial de conocer el estado de los rodamientos.
La tecnología moderna permite lograr este objetivo con
mucha certeza.
• Holgura mecánica: Esta puede ser rotativa o no, una holgura rotativa es causada por un juego excesivo entre las
partes rotativas y estacionarias de la máquina, y la no
rotativa es una holgura entre dos partes que normalmente son estacionarias, como una pata de la máquina
y su base.
• Soltura estructural: Ablandamiento o desplazamiento
del pie de la máquina, por holgura en los pernos de la
base o por deterioro de los componentes de la sujeción.
• Excentricidad: Fácilmente confundible con desbalanceo.
Ocurre cuando el centro de rotación no coincide con el
centro geométrico en una polea o engranaje.
• Desgaste de engranajes: Ocurre por operación más allá
del tiempo de vida del engranaje, contaminación de la
grasa lubricante, elementos extraños circulando en la
caja del engrane o montaje erróneo.
Sólo resta destacar que en general los gastos del mantenimiento correctivo pueden llegar a representar entre
un 15 y 40 por ciento de los costos totales de producción2, tanto en industrias manufactureras como de servicios, y que resulta posible obtener ahorros de entre el
20 y 50 por ciento de esos costos de mantenimiento al
realizar mantenimientos predictivos y preventivos, entre
otros un análisis de vibraciones oportuno.
Los beneficios van desde evitar comprar partes innecesarias, aumentar la vida útil de las máquinas y disminuir
Foto: www.ikvlubricants.com
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La confiabilidad busca asegurar el óptimo desempeño de
los equipos bajo condiciones previamente establecidas..
el consumo de energía como resultado de la reducción
de las vibraciones y el ruido. Todo esto puede lograrse a
través de un plan integral de confiabilidad.
El concepto de confiabilidad va más a allá de calcular las
paradas inesperadas de un sistema o máquina. Ya que,
además busca asegurar y mejorar la competitividad de
las empresas al determinar cuando se es ineficiente, inseguro, costoso y con alto nivel de rechazos.
El análisis de vibraciones, en conjunto con otros ensayos, hacen parte del plan de confiabilidad, que busca
producción a tiempo y de alta calidad; clientes y usuarios satisfechos; riesgos reducidos; mínima afectación
al medioambiente y costos controlados. Así, los propietarios, empleados y clientes interactúan en un entorno
empresarial de confianza.
La diferencia entre tomar las decisiones teniendo en
cuenta la probabilidad de falla y no hacerlo, es similar
a la que hay entre un jugador que le ruega a su suerte
para ganar en el póquer y un empresario que está debidamente preparado, mide y controla sus riesgos. Ambos,
toman decisiones valientes con cierto grado de incertidumbre, pero sólo uno sabe lo que está haciendo.
Citas
1)Normas de severidad de vibración. Normas ISO Normas de referencia
Charlotte Niveles de alarmas Normas de Referencia Entex IRD.
2)Wowk, Victor. “Machinery Vibration”, ed. McGraw-Hill, Inc, 1991
Fuentes
• Ingeniero. Andrés Mendoza. Diteinco Ltda. [email protected]
• Pedro Nelson Saavedra: La medición y análisis de las vibraciones como
técnica de inspección de equipos y componentes, aplicaciones, normativas y certificación. Facultad de Ingeniería - Universidad de Concepción,
Casilla 160 - Concepción – Chile [email protected]
• Kulichevsky, R.; Sacchi, M.; Martín Ghiselli, A. Medición y análisis de
vibraciones: una herramienta para la predicción y evaluación de fallas
en maquinarias
• Curso análisis de vibraciones, categoría III, ISO 18436-2 Relator: Dr. Ing. Pedro
Saavedra G Universidad de Concepción, Casilla 160 - Concepción – Chile
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