Fallas Comunes para Equipos Rotatorios

Una aplicación práctica de los sensores de vibración se encuentra en el mantenimiento predictivo de maquinas rotatorias. Los datos obtenidos mediante el procesamiento de la señal obtenida por los sensores revela información importante sobre el funcionamiento de un equipo. El principal análisis de las vibraciones se hace a través del espectro de frecuencia obtenido a partir del procesamiento de la señal. Utilizando esta herramienta, una vez identificada la frecuencia de rotación de la maquina, es posible detectar fallas especificas en el funcionamiento del dispositivo.

A continuación se  presenta una introducción a la detección de problemas comunes hallados en maquinas rotatorias.

Desbalanceo

Esta es una de las fallas más comunes en equipos rotatorios y aparece con mayor frecuencia en dispositivos que funcionan a altas frecuencias de rotación. Esta se debe a que el movimiento rotatorio genera una fuerza centrifuga radial hacia afuera la cual es transmitida a los descansos de la maquina. Ocasionada por una masa con cierta excentricidad en el rotor, la vibración en dirección radial tiene una forma sinodal la cual tendrá con frecuencia de excitación igual a la frecuencia de rotación del equipo.

Detección del problema: Mediante un análisis frecuencial, en el espectro de frecuencia es posible detectar este problema al observar las vibraciones a la frecuencia de rotación del equipo. Aunque la presencia de una vibración excesiva a esta frecuencia ocurre cuando este problema está presente, no necesariamente esta condición representa por si un desbalanceo. Como criterio general cuando se presenten otros problemas, cuando el desbalanceo sea el problema dominante, este debe representar al menos un 80% del valor medido.

Figura 1. Superior: Espectro de freucencia de un equipo nuevo. Inferior: Espectro de frecuencia de un equipo con problemas de desbalanceo.

En la figura se muestra dos espectros dos frecuencias, uno para un equipo nuevo y otro para un equipo con un desbalanceo significativo en el rotor.

El desbalanceo del rotor es un problema que nunca es inexistente en equipos rotatorios por lo que existen normas que establecen el desbalanceo permisible. Este valor se presenta para rotores rígidos y elásticos en la norma ISO1940. 

Desalineamiento

El desalineamiento ocurre cuando los ejes de una máquina impulsora y una impulsada no están en la misma línea de centros. Este ocurre de forma paralela o angular como se muestra en la figura 2.

Figura2. Izquierda: Desalineamiento angular. Derecha: Desalineamiento paralelo.

Las vibraciones ocasionadas por este tipo de problema ocurren en dirección radial, en el caso de desalineamiento paralelo y en dirección axial, en el caso de desalinamiento angular.

Detección del Problema: El delineamiento presenta picos en el espectro de la frecuencia ubicados en la frecuencia de rotación, en el segundo armónico y en el tercero, pero en casos de desalineamiento severo se puede presentar picos hasta en el octavo armónico. En la figura 3 se muestra el espectro de un rotor antes y después de ser alineado.

Figura 3. Superior: Espectro de frecuencia de un rotor despues de ser alineado. Inferior: Espectro de frecuencia de un rotor antes de ser alineado.  

Al igual que el desbalanceo, este problema no puede ser eliminado por completo. El nivel de desalineamiento aceptable es usualmente proporcionado por el fabricante.

Soltura Mecánica

La soltura mecánica se refiere al movimiento que se da en una unión que no esta los suficientemente fija. Algunos casos de esta pueden ser una sujeción insuficiente de pernos, juego excesivo radial de los descansos y apriete insuficiente de la camisa de descanso. La forma en que se da esta vibración es variable, pero ocurre principalmente en dirección radial. Un descanso suelto  por lo general tiene una vibración mayor en dirección vertical que horizontal.

Ejemplos de soltura:

Figura 4. Ejemplos de soltura mecánica. 

Detección del problema: La soltura mecánica se caracteriza por una gran presencia de armónicos en el espectro de la frecuencia. Entre mayor es la cantidad de armónicos, más severa es la soltura. En ciertos casos de soltura la vibración ocurrira en frecuencias subarmonicas. Esto ocurre en el caso de rodamientos sueltos o con demasiado juego radial. La figura 5 muestra el espectro de frecuencia esperado.

Figura 5. Espectro de frecuencia esperado ante una soltura mecáncia.

Para determinar la ubicación de la soltura mecánica, es preciso realizar pruebas en diferentes lugares del equipo. En la cercanía de la soltura se verán medidas erráticas que cambian bruscamente de valor y dirección.

Rozamiento

El rozamiento ocurre entre el rotor y el estator. Este puede darse de dos formas, un rozamiento total donde este ocurre durante toda la revolución o un rozamiento parcial cuando el rotor toca ocasionalmente al estator. La forma de la vibración tendrá una forma aplanada, debido a que el rotor no puede girar sin tocar al estator. Esto se muestra en la figura 5.

Figura 5. Forma de onda de la vibración de un rotor con rozamiento parcial.

Detección del problema: El roce parcial produce múltiples armónicos en el espectro y debido a esto es posible confundirlo con una soltura mecánica o un deslizamiento severo. Además de esto puede producir subarmónicos  que llegan a ser menores que los que ocurren en el caso de soltura mecánica.

Vibración en Bombas y Ventiladores

La vibración en este caso se presenta a frecuencias que son múltiplos del número de álabes, esta frecuencia se denomina “frecuencia de paso de álabes” y corresponde a la frecuencia de rotación multiplicada por el numero de alabes. Estas vibraciones se originan debido a la reacción de los alabes ante los pulsos de presión que ocurren en su funcionamiento. Cuando el rotor se encuentra balanceado  estas vibraciones son pequeñas ,pero cuando esta desbalanceado, los álabes del rotor no coinciden con los difusores de la carcasa y las vibraciones aumentan considerablemente.

Detección del problema: Los picos en el espectro aparecerán en los múltiplos de la frecuencia de paso de álabes. Esto se muestra en la siguiente figura 6.

Figura 6.  Especto de frecuencia esperado ante desbalanceo en bombas y ventiladores.

Fallas en Motores Eléctricos de Inducción

Cuando se busca detectar fallas eléctricas en los motores, es importante conocer las frecuencias de excitación que aparecen al ser impulsado por un campo electromagnético. En el espectro de frecuencia las fallas eléctricas aparecerán en múltiplos y o submúltiplos de estas frecuencias.  La frecuencia  eléctrica de la línea a la que está conectado el motor es importante conocerla porque esta determina la frecuencia  de las fuerzas electromagnéticas que impulsan el motor. Otra frecuencia importante es la frecuencia de paso de polos (FPP):

FPP = Numero de polos * frecuencia de rotación

               

Detección de fallas:

Excentricidad estática: Esta ocurre cuando el rotor y el estator están desalineados de forma paralela. En este caso el entrehierro tendrá un valor variable pero una posición mínima fija. 

Figura 7. Ilustracón de excentricidad estática. 

Cuando se analiza el espectro de frecuencia se observa un pico en el doble de la frecuencia eléctrica del sistema.

Ej. Si el sistema esta a 60Hz, la frecuencia donde se ve este problema es 120Hz.

Figura 8. Espectro de frecuencia esperado ante una excentricidad estática.

Excentricidad dinámica: La excentricidad dinámica ocurre cuando el mismo rotor no es concéntrico con su línea de centros y debido a esto el entrehierro varia con una posición mínima que no es fija. 

Figura 9. Ilustracón de excentricidad dinámica.

En el espectro de frecuencia, este problema se muestra con picos en las bandas laterales de la frecuencia de rotación y bandas laterales en dos veces la frecuencia de la llinea. Estas bandas son determinadas por el deslizamiento eléctrico del motor. Ademas se mostrara un pico en la frecuencia de rotación debido a el desbalanceo que este problema implica.  En la figura 10 se muestra el espectro de frecuencia esperado.

Figura 10. Espectro de frecuencia esperado ante una excentricidad estática.

Rotor con barras rotas: El problema ocurre cuando, en el rotor de un motor de inducción, las barras en las cuales se induce la corriente y consecuentemente una fuerza está rota y no puede circular corriente. Este es un problema serio que debe ser atendido inmediatamente o el daño se propagara a las barras adyacentes.

La característica de la vibración de este defecto es similar a la e la excentricidad dinámica. Lo que la diferencia es que cuando el rotor se haga girar sin corriente, la característica de vibración ocasionada por la barra rota debe desaparecer debido a que no fluye corriente por las barras del rotor, mientras que en una excentricidad dinámica esto no ocurre.

A Manera de Conclusión
En general cuando se estudia el espectro de frecuencia, los porblemas antes mencionados aparecen juntos. Por este motivo, cuando se realiza pruebas de vibraciones, es necesario que estas sean realizadas en diferentes lugares de la máquina para que sea posible determinar con mayor certeza el tipo de falla.
En cuanto a los diagnósticos en motores de inducción, resulta dificil determinar la diferencia entre un problema mecánico y uno eléctrico a partir del espectro de vibraciones. Por este motivo, se recurre  a análisis eléctricos para diagnoticar a estas máquinas.