Envolvente de aceleración para detectar daños en rodamientos
Introducción
En cualquier planta de fabricación o procesamiento, la avería de una máquina tiene consecuencias significativas. La productividad y la rentabilidad suelen verse afectadas y también existe un riesgo para la salud y la seguridad. Sin embargo, sorprendentemente, la causa de la avería rara vez se identifica. En su lugar, los rodamientos que resultaron dañados y fallaron suelen simplemente reemplazarse, con la esperanza de que duren más la próxima vez.
Sin embargo, los cojinetes no fallan sin motivo. Siempre hay una explicación de por qué lo hacen, y por lo general se debe a una de varias razones: la máquina funciona desequilibrada, desalineada o a una velocidad crítica; un cojinete no se ha montado correctamente; se ha producido un exceso o falta de lubricación; o se ha utilizado el lubricante incorrecto.
Análisis de vibraciones
Cuando problemas como estos ocurren en equipos industriales, se utilizan acelerómetros sensibles para detectar y analizar las vibraciones. Esta técnica se conoce como análisis de vibraciones y puede identificar fallas en los rodamientos en etapas muy tempranas, cuando hay un defecto microscópico en la pista de rodadura, por ejemplo.
Esto permite detectar problemas antes de que la máquina se averíe y tomar medidas de forma proactiva para minimizar los daños a los activos. Sin embargo, hay un problema importante a tener en cuenta sobre esta técnica: la señal de identificación suele quedar ahogada entre todo el ruido restante producido por la máquina.
Qué es el envolvente de aceleración
Es fundamental detectar los defectos en los rodamientos lo antes posible para evitar que se conviertan en problemas más graves, y una forma de lograrlo es utilizar una técnica de procesamiento de señales llamada envolvente de aceleración.
Funciona filtrando progresivamente las partes no deseadas del espectro de vibración hasta que la señal de un defecto del rodamiento se puede ver claramente.
La envolvente de aceleración se utiliza más comúnmente en sistemas de rodamientos, pero también se puede aplicar en áreas como motores eléctricos y reductores. Es un factor clave en el éxito de los programas de mantenimiento basado en la condición.
Sin el envolvente de aceleración, los equipos de mantenimiento y los ingenieros solo se enterarán de los daños y fallas cuando la vibración general aumente, los lubricantes se contaminen y las temperaturas suban. Para cuando esto ocurra, la vida útil restante de los elementos de la máquina que fallan podría ser corta y el daño podría ser más extenso que si las fallas se hubieran detectado antes.
En el peor de los casos, los cojinetes pueden fallar y la máquina podría averiarse antes de que los operadores se den cuenta de los problemas o los resuelvan.
Cómo funciona la envolvente de aceleración
La envolvente de aceleración es un proceso de dos etapas.
El primer paso es aplicar un filtro paso banda a la mezcla de frecuencias bajas y altas de la forma de onda sin filtrar de un cojinete defectuoso. Esto aísla únicamente las frecuencias en las que se oculta la señal de interés.
La salida filtrada identificará señales repetitivas de alta frecuencia. Estos son los impactos de los elementos rodantes al golpear el defecto del rodamiento en rotación.
El segundo paso del proceso es pasar la salida filtrada a través de un envolvente, que rectifica la forma de onda invirtiendo la parte negativa a positiva y extrae la tasa de repetición de las ráfagas de energía.
Esta envolvente se utiliza ahora como una verdadera señal de vibración, lo que le ayuda a destacar del ruido de fondo.
El sobre ayuda a contener señales espaciadas regularmente, como un solo defecto en una pista de rodadura, mientras que otras causas de ruido, como el roce del eje, son aleatorias y no producirán picos espaciados uniformemente.
Es importante señalar que se requiere cierta experiencia para garantizar que los pasos de este proceso se completen correctamente, particularmente al seleccionar las frecuencias de paso alto y paso bajo correctas.
Envolvente de aceleración en acción
El envolvente de aceleración se utiliza más comúnmente en sistemas de rodamientos de rodillos, pero también se puede aplicar en áreas como motores eléctricos y reductores.
Se ha demostrado repetidamente que es un factor clave en el éxito de los programas de mantenimiento basado en la condición. Aunque se utiliza predominantemente con señales en el espectro de aceleración, también puede emplearse para mejorar otras mediciones, como el pulso de choque.
Ejemplo de aplicación: Envolvente de aceleración en turbinas eólicas
El aerogenerador promedio tiene alrededor de ocho mil componentes distintos. De estos, un gran número están asociados con la cadena cinemática, la cual ha sido reconocida como la principal causa de un tiempo de inactividad prolongado.
El desgaste en las cajas de engranajes y en los rodamientos en particular es conocido por causar problemas y puede dar lugar a reparaciones costosas. La monitorización regular de las vibraciones puede prevenir que estos problemas ocurran.
La complejidad de una turbina eólica típica presenta un desafío para el monitoreo de vibraciones. Componentes como la turbina principal, la caja de engranajes y el generador producen firmas de vibración únicas con diferentes amplitudes y frecuencias, las cuales pueden ser difíciles de aislar y pueden quedar enmascaradas por el ruido de los sistemas circundantes.
Aquí es donde el envolvente de aceleración juega un papel fundamental.
Selección e instalación de sensores para aplicaciones eólicas
Para ser eficaces, los acelerómetros deben instalarse en todas las piezas giratorias clave de una turbina. Estas incluyen los cojinetes principales, las etapas de engranajes planetarios, intermedios y de alta velocidad, el generador e, idealmente, los movimientos transversales y axiales de la góndola.
Los acelerómetros deben seleccionarse en función de la frecuencia de las señales de envolvente. En los trenes de transmisión de las turbinas eólicas, particularmente en el eje de salida del generador, las velocidades de rotación pueden ser relativamente bajas y pueden requerir acelerómetros de CA de baja frecuencia para fines especiales con sensibilidades de entre cien milivoltios por g y quinientos milivoltios por g.
Cada acelerómetro debe montarse de forma segura sobre una base limpia y sólida, lo más cerca posible del componente que se está monitoreando. Normalmente se utilizan soportes estándar M8.
Los datos deben recopilarse de forma regular y constante para permitir identificar los cambios en las condiciones de funcionamiento o las tendencias a lo largo del tiempo en la fase más temprana posible.
Los datos se pueden recopilar in situ utilizando recolectores de datos portátiles con software capaz de calcular automáticamente la envolvente de aceleración, o transmitirse a un centro de monitoreo remoto para su análisis posterior.
Interpretación de datos de envolvente de aceleración
Una vez que la señal ha sido filtrada, la información puede ser recolectada del acelerómetro utilizando un recolector de datos y revisada por un especialista.
Basándose en los datos, se pueden tomar decisiones sobre si se requiere trabajo de mantenimiento de inmediato, si se puede planificar como parte de los programas rutinarios o si no se requiere ninguna acción en ese momento.
Limitaciones de la envolvente de aceleración
A pesar de que la envolvente de aceleración parece ser la respuesta definitiva para detectar fallas en rodamientos, hay situaciones en las que puede no ser la mejor opción.
La técnica detecta fallas que implican interacciones repetitivas de metal con metal. Cualquier elemento que oculte esto, como juntas o amortiguadores, puede hacer que una máquina quede fuera del alcance de la envolvente de aceleración.
Factores clave para el éxito
Si una aplicación es adecuada para la envolvente de aceleración, varios factores ayudan a garantizar los mejores resultados posibles.
Los acelerómetros deben seleccionarse cuidadosamente en el rango de frecuencia correcto para adaptarse a la aplicación específica. Un proveedor experimentado puede ayudar en la selección entre acelerómetros de CA y de cuatro a veinte miliamperios.
Los acelerómetros deben montarse correctamente, cerca del componente que se está monitoreando y sobre una superficie plana y limpia para garantizar resultados consistentes. Un montaje deficiente reduce la fiabilidad y puede hacer que los datos recopilados sean redundantes.
Una vez instalados y calibrados, se deben tomar lecturas de datos a intervalos regulares para permitir un análisis de tendencias preciso. Esto permite identificar y abordar un estado de deterioro progresivo antes de que los daños en el rodamiento empeoren.
Es importante comprender que los datos de vibración no proporcionan una respuesta simple de sí o no y requieren experiencia para interpretarse correctamente. En algunos casos, la amplitud puede disminuir con el tiempo aunque el deterioro continúe.
Uso de la envolvente de aceleración como parte de una estrategia más amplia
Los beneficios de la envolvente de aceleración son claros, pero no se debe confiar en ella como una técnica independiente.
Para obtener los resultados más fiables, el envolvente de aceleración debe implementarse como parte de un régimen más amplio de seguimiento y análisis. Combinado con las directrices de este documento, puede ayudar a los ingenieros a salvaguardar la salud, el rendimiento y la productividad de la máquina, al tiempo que previene averías y pérdidas de producción.
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