Detección de Vibracion en Rodamientos con Técnicas de Filtrado

La industria papelera presenta una gran cantidad de máquinas y tipos de fallo pero sin algo tienen en común todos ellos es la problemática de vibracion en rodamientos. Resulta difícil encontrar algún equipo que no utilice a estos dispositivos como elementos de apoyo, pero la entrada se centrará en la problemática existente en

los apoyos de la Máquina de Papel.

En ella, la mayor parte de los equipos son los rodillos que a través de su giro generan un fenómeno de translación en la tela de papel permitiendo realizar todo el proceso requerido. Una característica común a todos ellos es que se trata de

Rodamientos de baja velocidad 

aunque puede haber variaciones importantes dependiendo del tipo y gramaje del producto de salida.

Rodamientos en Máquina de Papel

Se caracterizan por situarse a ambos lados del rodillo, conociéndose en la terminología especializada como apoyos de:

  • Lado Accionamiento

Aquel situado a continuación del sistema eléctrico de accionamiento + reductora de potencia

  • Lado Servicios

Situado al otro lado de la máquina

El objeto de la medida de vibracion en rodamientos no es otro que poder determinar prematuramente la existencia de los siguientes modos de fallo:

  • Deterioro en la superficie de rodadura
  • Fallo en el Lubricante
  • Holguras en el Sistema de Sustentación
  • Problemas en el rodillo de transporte. Los más habituales serían:
    • Desequilibrio
    • Desalineación
    • Flecha o Eje Doblado

Vibracion en Rodamientos

Centrándonos en la detección del primero indicar que ante la existencia del más incipiente inicio de deterioro el tipo de excitaciones que aparecen en el rodamiento son

Fuerzas de Impacto

debido a su:

  • Geometría

Sin movilidad relativa entre los elementos

  • Morfología

Formado por elementos giratorios

  • Tipo de Contacto entre elementos de rodadura

Puntual

vibracion en rodamientos

Es decir, se trata de fuerzas que presentan las siguientes características:

  • Discontinuidad

Los impactos presentan un tiempo de separación entre ellos, periódico en todos los casos por la distribución regularmente geométrica

  • Corta Duración

Son eventos breves puesto que los contactos entre los posibles defectos con los elementos de rodadura son puntuales

  • Baja Energía

Al existir una mínima movilidad en los elementos los niveles de desplazamiento son mínimos comparado con otros tipos de problemas mecánicos

La fuerza de impacto se puede asimilar a la función matemática de la:

Delta de Dirac

definida como 0, salvo para un intervalo de tiempo determinado. Un posible modelo de

Representación en el Dominio del Tiempo

es el siguiente:

vibracion en rodamientos

Esta es la naturaleza de la fuerza de excitación, pero convendría también entender la

Respuesta del Sistema

ante ese la fuerza temporal anterior, teniendo en cuenta que el sistema de medida se apoyará sobre la superficie exterior de la carcasa soporte. Esta superficie vibra no sólo como consecuencia de esa vibracion, sino de otras procedentes de fuerzas como desequilbrio, desalineación, holguras, …. Por tanto, el análisis se complica puesto que cada excitación genera su propia frecuencia respuesta, cómo se vio en la entrada de movimiento armonico simple, resultando necesario filtrar alguna señal para centrar el diagnóstico sobre un limitado número de excitaciones.

De hecho, esto es lo que hacían los «viejos» analizadores de vibración, sin avanzados circuitos de filtrado electrónico, usando filtros mecánicos (de sintonía variable) que filtraban cada frecuencia contenida en la onda respuesta de vibracion. Actualmente, con los analizadores digitales se ha evolucionado hacia modernos procesadores electrónicos que aplican el algoritmo FFT (Fast Fourier Transform) para la visualización del espectro de frecuencias. Esta representación, discreta y no continua ¡como la obtenida con los antiguos equipos!, presenta la ventaja de tomarse muy rápidamente y en formato digital permitiendo su almacenamiento y seguimiento posterior.

Para el caso de la

Vibracion en Rodamientos

se precisan técnicas especiales puesto que se trata de componentes de baja energía en relación a holguras o desequilibrios, por ello se usan técnicas especiales para la adquisición de la señal como el uso de:

Filtros Electrónicos de Alta Frecuencia.

Se trata de sistemas que atenúan la señal no incluida en una determinada banda de frecuencias mantenimiento la energía original para el resto de la vibracion.  Son, en definitiva

Filtros de Paso Banda.

Gráficamente se puede comprobar su comportamiento frente a la frecuencia:

filtro para vibracion en rodamientos

Elegir el Filtro

Conociendo las características de la señal y las características del circuito detector se debe decidir qué:

Banda de Filtrado Utilizar

puesto que suelen existir varios para cualquier colector de vibracion del mercado, siendo generalmente filtros de banda ancha dado que el sistema soporte cambia sus frecuencias de vibracion al deteriorarse el rodamiento. Esta elección debe realizarse desde el doble punto de vista de configuración del:

  • Ancho de Banda
  • Frecuencias Inferior y Superior

Para la definición de ambas se habrán de entender las características de la:

Vibracion Respuesta

puesto que el filtro o los filtros buscan su sintonización atenuando la energía del resto de problemas existentes en la máquina. En este sentido, su morfología depende de la naturaleza de la representación temporal, ya mostrada, de la fuerza de excitación, puesto que se trata de aplicar la

Transformada Fourier

a la Señal Matemática de la Delta de Dirac. El proceso matemático de justificación se aleja del objeto de esta entrada, obviándose por tanto, pero llevaría a la siguiente expresión de la función respuesta en frecuencia:

frecuencia de vibracion en rodamientos

Es decir, se trata de una función seno con amplitud en todo el espectro salvo en un número finito de puntos (donde se haga 0). Por tanto, salvo que el filtro elegido cogiera nada más uno de estos puntos, algo que no ocurre por su amplia banda de sintonizado, la señal respuesta siempre va a presentar amplitud en todas las frecuencias del espectro.

Por tanto, ante la vibracion en rodamientos nuestro sistema vibra a todas las frecuencias, pero con mayor amplitud a su:

Frecuencia Natural.

Este concepto es algo normal e intrínseco a cualquier elemento físico y en particular a nuestro sistema, para el que se amplifica la respuesta vibracional. Su valor se calcula como:

Cociente entre Rigidez y Masa,

pues ese es el valor que maximiza la función vibracion en régimen permanente para un modelo general de solicitación. Es una característica natural de cualquier componente, siendo problemática su coincidencia con alguna frecuencia de vibración.

Fórmula Frecuencia natural

frecuencia natural para vibracion en rodamientos

Es decir, el valor máximo de amplitud se va a producir a una frecuencia que depende de la:

Rigidez y Masa del Sistema Vibrante.

Ahora bien, ¿de qué componente se ha de filtrar su frecuencia natural, del rodamiento, del soporte, …? Se deberá analizar para cada uno de ellos el rango aproximado de su frecuencia natural:

  • Rodamiento (pistas, componentes rodantes, …)

Suelen presentar elevada rigidez por lo que tienen altas frecuencias naturales

  • Carcasa Soporte

Fundiciones, típicamente con menor rigidez estructural y gran masa, por lo suelen presentar menores valores en esa frecuencia.

  • Tornillos de Fijación

Elementos Metálicos, menos rígidos que los rodamientos y con frecuencias intermedias entre los dos anteriores. Debe considerarse la distancia y consiguiente atenuación al a fuente de energía.

  • Sensor de Medida de Vibración

Masa comprimida por tracción. Presenta elevada rigidez y frecuencia natural.

Por tanto, el filtro elegido debería elegirse para sintonizar aquella de las anteriores que presente mayor energía, sin olvidar que su objeto es aislar las componentes tradicionales de vibracion. En la mayor parte de los casos para la elección del más adecuado de estos criterios se ha de contar con el apoyo de un:

Consultor con Experiencia

en el sector, y en los equipos utilizados para la medida de vibracion en rodamientos.

Rodamientos de Papelera

Para la configuración de la medida se habrán de identificar las:

Componentes convencionales de Vibracion,

eligiendo un filtro que las discrimine en el proceso de medida. Ya se mencionaron la naturaleza de estos problemas: desequilibrio, desalineación, holguras, …. generando todos ellos frecuencias coincidentes con la velocidad de giro, y primeros armónicos (típicamente hasta el 5º).

Por tanto, la frecuencia de corte inferior del filtro elegido deberá ser mayor que:

el 5º armónico de la Velocidad de Giro del Eje del Rodillo.

Posterioremente, el rango de filtros a utilizar dependerá del nivel y fabricante del colector de medida. Por ejemplo, Rockwell suministra filtros de energía de impactos y envolvente, CSI filtros de envolvente, SKF envolvente pero con distintos rangos, … .

Ejemplo

Se trata de elegir la configuración para la detección de:

Vibracion en Rodamientos del Prensa Central

en máquina de papel. Las características eran:

  • Velocidad de Giro 120 rpm
  • Rodamiento de doble hilera de rodillos

Con ellos ya se conocen los dos elementos clave para la elección del filtro:

  • Naturaleza de los patrones de vibración convencionales

  • Estimación de la Masa del Rodamiento (grande en este caso)

Para el ejemplo, y por el tipo de equipo utilizado, se pueden utilizar las siguientes bandas de filtrado:

  • Banda 1

  • Banda 2

  • Banda 3

  • Banda 4

Debido a que el rodamiento resultaba fácilmente accesible se podía tomar la vibracion en rodamientos con fijación magnética sobre el soporte, con una buena y repetitiva rigídez para el apoyo.

En ese contexto, el consultor experto contratado para el estudio determinó la solución óptima, concretamente:

Filtro de 1 Khz

puesto que en base a él se podían seguir adecuadamente las componentes de vibración en los componentes del rodamiento hasta sus últimas etapas de fallo. La elección esta basada en que con esa banda se sintoniza adecuadamente la frecuencia natural de los componentes del rodamiento y su evolución por deterioro, que son las componentes que mayor amplitud van a presentar para el rodamiento en estudio.

vibracion en rodamientos

Comentaros que el caso anterior surge ante la necesidad de un seguimiento más detallado, online, con idea de determinar el período de evolución al fallo de un rodamiento con síntomas de deterioro que debía aguantar hasta la siguiente intervención programada, fechada 2 meses después de la primera detección. Este equipo presentaba diferentes bandas de filtrado que el utilizado por la papelera, por lo que fue el propio instalador quién determinó el filtro más adecuado en base a todas las consideraciones anteriores.

¿Sabes qué Filtros Utilizar?

No has de pensar que se trata de un caso con aplicación únicamente en el sector papelero sino para cualquier tipo de industria. Evidentemente, las particularidades de los papeleros justifican el contexto del estudio, pues fijaros las consecuencias de un fallo en la máquina parando la producción de toda la línea. Ya no se estaría hablando únicamente del coste de los rodamientos sino de otras perdidas de gran cuantía.

Lo que sí que sería importante es que sacaras la conclusión de que la medida de vibracion en rodamientos exige conocer:

Tipo y/o Dimensiones de los rodamientos.

El no conocerlos puede llevar a configuraciones inadecuadas y a posibles errores en la precocidad de la detección o en la determinación de la severidad del problema. Si llevas tiempo en el mundo del predictivo seguro que podrías añadir algún comentario relativo a que existen filtros que siguen el deterioro del rodamiento bajando las frecuencias de filtrado. Efectivamente es así, pero teoría base es la misma.

Por tanto, entiende la entrada como una muestra de la metodología a seguir en el proceso, no tanto como una guía para la configuración, pues muestra cuáles son los criterios para una correcta detección de fallos en rodamientos. Otros aspectos de más detalle serían los relativos a la configuración para analizar cada uno de los modos de fallo existentes.

Si te preguntas, ¿qué hacer después de esto? Pues nada, no has de preocuparte si tu configuración ha sido realizada por un consultor externo o has recibido algún tipo de formación. Si tu parametrización la has realizado con copia-pega ahí puedes tener un problema pues no siempre resulta el método más adecuado.

Por eso, si con mucha frecuencia:

Fallas en la Detección de Vibracion en Rodamientosvibracion en rodamientos

piensa que puede deberse a una débil configuración del sistema de filtrado. Comparte tu caso en la sección de comentarios, o contacta con el portal y si quieres te doy algún soporte adicional sobre el particular.

 

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