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Aceleración Envolvente
Un
elemento clave en el Monitoreo de Condición Agresivo
Por Greg Lee
La
aceleración envolvente, algunas veces referida como Demodulación,
Espectro de Pulso de Golpe, o el Espectro de Energía de Pico, es una
técnica de procesamiento de señal sumamente útil, principalmente
utilizada para detectar problemas del elemento rodante de los cojinetes
en las etapas tempranas del daño. A menudo la aceleración envolvente es
vista como una herramienta clave de análisis porque es sabido poco
acerca de la medida y cómo es derivada. El propósito de este artículo es
de explicar cómo la Aceleración Envolvente es derivada y para mostrar su
utilidad en el descubrimiento temprano de defectos en los elementos
rodantes del cojinete.
Utilizamos típicamente un espectro de la velocidad para analizar los
defectos de maquinaria y problemas en los elementos rodantes de los
cojinetes. Desgraciadamente, las frecuencias del cojinete están
escondidas en medio de un anfitrión de otras frecuencias de defecto de
maquinaria y su armonía asociada. Un elemento rodante de un cojinete
puede tener daño significativo, mas las amplitudes en las frecuencias
del cojinete pueden ser bastante bajas cuando se comparan a otros
componentes vibrantes, tal como el desbalanceo, desalineación, holgura,
y las frecuencias eléctricas. A causa de esto es a veces difícil, si no
imposible, detectar un cojinete en sus fases iniciales del fracaso
utilizando un espectro de la velocidad (ver la Figura 1). Lo que
nosotros necesitamos es una manera de ver las frecuencias del cojinete,
independiente de las otras frecuencias del defecto de la máquina. La
aceleración envolvente proporciona un método de procesamiento de señal
que alcanza esto.
Aceleración Envolvente
Cuándo
un defecto de cojinete es pequeño, los impactos de los elementos
rodantes en defecto causan que los componentes del cojinete resuenen
como una campana. Este sonido ocurre en una frecuencia mucho más alta
que las frecuencias fundamentales de cojinete de Jaula, de la Carrera
Interior, de la Carrera Exterior, y de los balines. Visualice un defecto
exterior de la carrera, en que cada vez un elemento rodante golpea los
componentes del cojinete, y entonces bajan hasta que el próximo elemento
golpee el defecto. La frecuencia que fuerza es la frecuencia del paso
del balín de la carrera exterior. La respuesta consiste en las
frecuencias resonantes de los componentes del cojinete y de la caja del
cojinete. Las frecuencias resonantes de los componentes del cojinete
varían basadas en el material, en la estructura, en la masa, en la
carga, y en la frecuencia de excitación. Por lo tanto, no hay una
frecuencia que buscar sino una gama de frecuencias, a menudo referida
como "Pajar". Este pajar es observado mejor en unidades de aceleración.
Los pajares ocurren típicamente entre 120.000 CPM y 600.000 CPM pero la
frecuencia exacta no es tan importante como el hecho de que están
presentes. Si un pajar esta presente, la fuente debe ser investigada.
Figura
1 – Las frecuencias del cojinete no se detectan
Si este
pajar en espectro de aceleración era todo lo que necesitamos para
identificar un cojinete fallido, entonces esto sería el fin de la
historia. Sin embargo, hay varias otras posibles fuentes para este pajar
de frecuencias. Frotación cerca del cojinete, el vapor que corre cerca
del cojinete, frotación de los sellos de carbón, cavitación de la bomba
y otro proceso-relacionado audible pueden causar también que un pajar
aparezca en un espectro de aceleración. La Aceleración Envolvente nos
ayuda discernir si el pajar es manejado por impactos aleatorios como
frotación, o un impacto que repite tal como un componente de cojinete o
algo como un engranaje.
Pasos para derivar lar Aceleración Envolvente
Cuando
se usa una herramienta siempre es útil entender cómo trabaja. Esta
comprensión aumenta su habilidad de aplicar correctamente la herramienta
y lograr un resultado favorable.
El
mismo
ocurre con la
aceleración envolvente.
Figura
2 – Forma de Onda sin filtrar
Para
este explicación/ejemplo nosotros utilizamos un cojinete SKF 6203 con un
defecto conocido en la carrera exterior del cojinete. El defecto es
suficientemente pequeño que es difícil de ver a simple vista.
Forma de Onda
Empezaremos por mirar la forma de ondas emitidas por el cojinete. La
aceleración de la forma de onda pura y sin filtrar combina los elementos
de la vibración baja de la frecuencia y de alta frecuencia del pajar de
los componentes de resonacion del cojinete. Como se puede ver en la
Figura 2, hay mucha alta frecuencia en la señal que justifica los
millares de pequeños picos. también se pueden ver las vibraciones bajas
fundamentales de la frecuencia en donde se montan las altas frecuencias.
Figura
3 – Configurando el Filtro de Paso de Banda
Aplicando un filtro de paso de banda
Los
diferentes suministradores de analizadores tienen métodos diferentes
para poner el filtro del paso de la banda. La clave es establecer el
filtro para que las frecuencias del pajar sean permitidas por el filtro
mientras las otras frecuencias, especialmente debajo del pajar, sean
filtradas por el filtro (ver la Figura 3). Ahora veamos lo que le sucede
a la forma de onda cuando aplicamos el filtro de paso de banda para
filtrar las frecuencias más altas y más bajas que el pajar.
Usted
puede ver en la Figura 4 que como cada elemento rodante pasa el defecto
en la carrera exterior, el impacto causa que los componentes del
cojinete suenen en una alta frecuencia. La aplicación de los filtros de
paso alto y bajo elimina la mayor parte de las otras vibraciones de la
forma de onda. Esto, en cambio, nos permite ver claramente el impacto y
disminuir el sonido dentro de la forma de onda creada por el impacto de
los elementos rodantes en el defecto en la carrera exterior del
cojinete.
Figura
4 – Forma de Onda después de aplicar el Filtro de Paso de Banda
Advierta que el tiempo entre impactos en la forma de ondas empata el
tiempo que espacia entre los elementos rodantes.
Envolviendo
la Forma de
Onda
Para
identificar las frecuencias de la fuente de los impactos que causa el
sonido que se repite del cojinete, dos procesos son requeridos. Primero
la señal es rectificada, es decir, la porción negativa de la señal es
invertida a positivo. Esto es demostrado en la Figura 5. La forma de
ondas rectificada entonces es envuelta colocando una huella o línea
sobre la forma general de la forma de onda rectificada (ver la Figura
6). Esta línea envolvente ahora es utilizada como una nueva señal.
Advierta que los picos y los valles de la forma de onda empatan todavía
el espaciamiento entre los elementos rodantes en la superficie de la
carrera exterior.
Figura 5 – Forma de
Onda Rectificada
Figura 6 – Forma de
onda envolvente
Calculando el Nuevo Espectro
La
línea envolvente ahora es utilizada como si fuera una señal verdadera de
la vibración. Un espectro es realizado en la señal envolvente (en rojo,
Figura 6) que revelará las frecuencias de alguna pauta repetitiva en la
señal recientemente generada. Usted puede ver los resultados en la
izquierda y compararlos a un espectro de velocidad normal.
El
defecto del cojinete es casi imposible de distinguir de las otras
frecuencias en el espectro de la velocidad (Figura 7) pero la carrera
externa del cojinete y sus múltiplos son claramente visibles en el
espectro envuelto (Figura 8).
Figura
7 – Espectro de Velocidad
Figura
8 – Espectro de Aceleración Envolvente
En la
Figura 9, hemos demostrado una catarata de espectro de aceleración
envuelto y una tendencia de la frecuencia de la carrera exterior del
cojinete. Esto le ayuda a rastrear e identificar el aumento en la
intensidad de la carrera externa del cojinete defectuoso con el tiempo.
Otras Fuentes del “Pajar”
Si un
pajar esta presente en un espectro de aceleración, es importante
entender que hay otras causas posibles además de daño al cojinete. Como
se menciono previamente, condiciones tales como frotación del eje,
cavilación de bomba, el ruido del vapor, frotación de los sellos, el
ruido del proceso, y el ruido audible pueden conducir también a que la
caja del cojinete suene y muestre el patrón del pajar. La gran
diferencia es que la fuente consiste generalmente en impactos
aleatorios, y no impactos regulares espaciados. El envolvente le puede
ayudar a determinar si la fuente del pajar es aleatoria o conducida al
impacto. Si la fuerza conducida del pajar es aleatoria entonces la forma
de onda filtrada no tendría ningún pico prominente espaciado
uniformemente. La señal envolvente resultante sería plana o aleatoria.
La figura 10 representa un ejemplo de un pajar conducido por una pequeña
frotación, que tiene como resultado un espectro envolvente que parece
ruidoso y tiene amplitudes bajas con ninguna frecuencia prominente.
Figura
9 – Cascada del espectro de aceleración envolvente y su tendencia
Envolviendo otra vibración
Medidas
Los
envolventes no son restringidos a la aceleración pero pueden ser
utilizados también para otro tipo de mediciones. Por ejemplo, el Pulso
de Golpe o la señal de Energía de Pico pueden ser envueltos utilizando
el mismo proceso del paso de banda que fue utilizado con la forma de
onda de aceleración. Si la señal de Pulso de Golpe es manejada por un
impacto que ocurre en un intervalo regular de la frecuencia, aparecerá
en la frecuencia del impacto que maneja en el Espectro Envuelto. Otras
unidades tales como la Velocidad también pueden ser envueltas utilizando
la misma técnica.
Conclusión
Como se
puede ver, los resultados son impresionantes. Al comparar el espectro al
espectro normal de la velocidad, las frecuencias de cojinete son ahora
prominentes. La amplitud de las frecuencias no es tan importante como su
prominencia encima del piso de ruido. Esto es lo mismo para múltiplos de
una frecuencia que maneja. En nuestro ejemplo de la carrera exterior,
más múltiplos de la frecuencia de la carrera exterior indican que el
daño es más severo.
Es
también importante notar que el Envolvimiento proporciona el
descubrimiento temprano del daño del cojinete. No es inusual para un
cojinete defectuoso detectado con la técnica envolvente que trabaje 3 a
4 meses, o aún hasta un año antes de que falle. El Envolvimiento a
menudo es utilizado como una medida de disparo para activar las acciones
de la extensión de la vida tales como cambio de lubricación y realizar
la alineación láser de precisión. Alrededor del mundo, la Aceleración
Envolvente llega a ser rápidamente un elemento clave en el
descubrimiento temprano de fallas en los cojinetes en la mayoría de los
Programas más agresivos de Mantenimiento Basado en Condición. No deje de
utilizar esta excelente técnica para adelantarse a los problemas del
elemento rodante de los cojinetes en sus instalaciones.
Figura
10 – Espectro envolvente, fuente aleatoria del pajar
Greg
recibió su título de Ciencias de la Universidad Tecnológica de Michigan
en 1982 donde fue miembro de la lista de Los Decanos Nacionales. Desde
que trabajo con IRD Mechanalysis a mediado de los años ochenta, ha
trabajado para varias de las principales compañías de medición de
vibración así como también proporciono programas de mantenimiento
basados en condición para varias compañías de la minería y el papel. En
1995, se unió a Prüftechnik AG donde colaboro con el desarrollo y la
mercadotecnia de los productos. Desde 1999 ha trabajado con Ludeca, Inc.
el distribuidor exclusivo en EEUU para los productos de Prüftechnik.
Greg reside en Gardnerville, Nevada con su esposa Cindy donde tienen 5
hijos y un nieto. Le encanta esquiar, el MotoCross, y es piloto de
planeadores. Greg puede ser contactado en greg.lee@ludeca.com o al (775)
265-6650. |
