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Cavando
Profundamente
El
Análisis Operativo de la Forma de Deflexión Resuelve el Problema
Escondido de la Vibración
Por
Dan Ambre
Este
artículo es un caso de historial de la vibración que utiliza la Forma
Operadora de Deflexión (ODS Operating Deflection Shape, por sus siglas
en ingles) instrumentos de análisis y técnicas de animación por
computadora para resolver problemas difíciles en maquinaria de rotación.
El Sr.
Bill Hansen, Director de Planta de la Compañía New England Fertilizer
Company, solicitó los servicios de Full Spectrum Diagnostics para
realizar una investigación de la vibración en un Ventilador RTO con
problemas en las instalaciones de Shakopee, Minesota, EEUU.
New
England Fertilizer (NEFCO) diseña, construye y opera la granulación de
"biosólidos" e instalaciones de secado por calor a través de los EEUU.
Biosólidos es un término de la industria para el lodo sólido derivado
de plantas de tratamiento de aguas residuales. El producto terminado del
proceso es un abono " Clase A" que es semejante en características
físicas a abonos convencionales sintéticos y es vendido principalmente
para uso agrícola. El Ventilador Principal RTO F202 es una pieza de
equipo "crítico para la planta" en el centro de fabricación de Shakopee.
Históricamente, los problemas de la vibración tienden a surgir cuando
las hojas de ventilador forman una capa con el tiempo. Cuándo las hojas
están sucias, el ventilador, que es manejado por un motor de frecuencia
variable, trabaja a velocidades ligeramente más altas para retener las
eficiencia del proceso. Los niveles elevados de vibración (a 1x RPM)
fueron resueltos típicamente limpiando las capas formadas en las hojas
del ventilador.
Recientemente, el personal de planta observó un aumento en la vibración
estructural del marco. Los niveles excesivos de vibración todavía se
encontraron predominantemente en 1x RPM. Sin embargo eran sumamente
direccionales y no fueron reducidos limpiando las hojas del ventilador.
NEFCO solicitó que Full Spectrum Diagnostics (con cede en Miniápolis,
Minesota, EEUU) realizará una investigación de diagnóstico de vibración
en una tentativa para entender las causas fundamentales de la vibración
y para ayudar a definir un método para reducir o eliminar sus efectos
perjudiciales.
El
diagnóstico total de vibración de los problemas de maquinaria de
rotación implica típicamente ambas técnicas operadoras de análisis, así
como el análisis no operante. En este caso, la unidad de RTO fue
requerida a mantener las operaciones de la planta, así no podría ser
cerrada para pruebas naturales de frecuencia (análisis modal). Sin
embargo, el uso limitado de los controles del Drive de Frecuencia
Variable (VFD Variable Frequency Drive por sus siglas en ingles) fue
otorgado para algunas pruebas de control transitorias (velocidad de
barrido).
Información del Diseño de la Maquina
Drive:
• Motor de
Inducción
AC Westinghouse
• 100 HP @
1780 RPM
• Drive de Frecuencia Variable (VFD)
• 890 RPM @ 50% Velocidad
• 1605 RPM @ 90% Velocidad (típica)
• Elementos rodantes del cojinete: OB: 6313, IB: 6317
Maquina:
• Ventilador Principal F202 RTO de 54-pulgadas
Cople
directo:
• 890 RPM @ 50% de velocidad
• 1605 RPM @ 90% de velocidad (típico)
• Elementos rodantes del cojinete, #3, #4 Dodge 517
• Hojas del ventilado cuenta nueve (9)
Discusión del análisis
Antes
de la visita a la planta, NEFCO transmitió las imágenes digitales,
planos de la máquina e información, así como los espectro de la
vibración tomados durante los meses anteriores al análisis. El programa
interno detecto que el problema actual fue considerablemente diferente
de sus experiencias pasadas con desbalanceo debido al aumento de la
hoja.
Ya que
la máquina no podría ser apagada para la visita planificada de planta,
un análisis ODS fue recomendado para visualmente animar los movimientos
de la máquina y determinar la causa primordial de los problemas de la
vibración.
El
análisis de ODS da al analista una mirada en cómo la estructura entera
responde en cada frecuencia de falla. Midiendo la respuesta de la
vibración en numerosas ubicaciones en la estructura y las relaciones de
la fase con respecto a un transductor de referencia, nosotros podemos
animar por la computadora las formas operadoras de la estructura. La
respuesta operadora del ventilador fue medida en 293 predeterminado (X,
Y, Z) las ubicaciones, trazando efectivamente la estructura. Una
atención especial fue tomada para definir los puntos de la medida a
través de cada unión empernada en la estructura (ver FIG 2).
Definición
Una ODS
es medida con la máquina en su condición de funcionamiento normal. Este
análisis mide las la respuesta de la máquina en un tiempo o frecuencia
específico. Tanto la información de amplitud como la de la fase es
reunida en varias ubicaciones de la estructura y, vía un software
especial, la "forma" vibrante o la respuesta de la máquina pueden ser
animadas.
Estas
animaciones muestran al analista "cómo" la máquina se mueve durante la
operación normal. Note que esto no es una respuesta resonante de la
máquina, pero de su respuesta operacional. Las fuerzas dentro de la
máquina son responsables del movimiento, o de la forma del movimiento
medido con este instrumento del análisis. Por ejemplo, la respuesta de
desbalanceo en cualquier sistema que gira producirá una respuesta o
fuerza impulsora en RPM. 1x. La desalineación y la holgura producen
generalmente los múltiplos síncronos de la velocidad corriente (RPM 2x,
RPM 3x).
La
animación por computadora del ODS muestra una respuesta significativa en
la estructura del marco de apoyo del ventilador. Una flexión vertical
del soporte interno del tubo de la base inducía excesivo movimiento
lateral (horizontal) en los cojinetes del motor y del ventilador. La
amplitud dominante de la respuesta cerca de 1,00 pulgadas/segundo fue
notada en la almohadilla del cojinete del pedestal de apoyo del
ventilador externo en 1594 RPM (90% de velocidad del VFD).
Basado
en la respuesta altamente direccional de la unidad y cambios
significativos en la amplitud con cambios modestos de velocidad, la
frecuencia natural en un marco de apoyo fue sospechada cerca del 90% del
punto de la velocidad.
Ya que
la unidad no podría ser cerrada para la prueba de resonancia, la
velocidad del motor de VFD fue variada por su rango de frecuencia de la
velocidad operacional de 20%-100% para trazar las frecuencias naturales
estructurales. El Mapa gráfico de Cascada (ver FIG 3) muestra que una
respuesta máxima fue alcanzada en una frecuencia de 1614 RPM. Una
transición en la amplitud como la velocidad fue aumentada indicó una
frecuencia natural en esta velocidad. Un gráfico del perfil de la
vibración general durante el barrido es también proporcionado, indicando
claramente una respuesta resonante clásica.
Una
revisión de las animaciones del ODS (ver FIG 4) indicó una debilidad o
flexibilidad local en el lado noroeste el tubo interior de apoyo de la
base del ventilador. Los movimientos originaron de un lugar débil
vertical en el lado interior del marco del ventilador, teniendo como
resultado general una respuesta lateral excesiva más alta en la
estructura. El tubo interior no es abrochado al tramo de concreto pero
es sostenido por el marco exterior. El gráfico en color del contorno en
la FIG 4 muestra colores cada vez más vibrantes con niveles más grandes
de amplitud de vibración. Los niveles más altos (rojo) medidos en este
análisis estaban por encima de 1,0 ips.
Ya que
la respuesta de la máquina cambió tan rápidamente basado en su tendencia
histórica, era más probable que el Canal-C del marco interior pudiera
tener una débil, floja, o conexión agrietada al tubo principal. Una
inspección detallada de este canal "escondido" se recomendó para
resolver este asunto, si estaba presente.
En
corregir los problemas estructurales de la resonancia, el analista
dirige típicamente la fuente (las fuentes) o el drive(s) de la vibración
primero antes de hacer las modificaciones estructurales. La "regla del
pulgar" sería realizar los cambios más sencillos primero y eliminar los
problemas conocidos de la máquina. La solución más sencilla sería
restringir la operación del ventilador en el rango sospechoso de la
frecuencia. El rango VFD del motor se podría "afinar" para limitar la
operación en un + /- 10% del rango de la velocidad alrededor de 1614 CPM.
Esta opción no se creyó ser práctica desde el punto de vista de
operaciones de la planta.
Otras
soluciones más permanentes fueron exploradas luego. Fue posible que el
tubo interior del marco fuera resonante en 1614 CPM debido el espacio no
apoyado. Si esto fue el caso, el tubo podría ser calzado con cuñas
movibles puestas en intervalos por su longitud para mejorar el soporte y
levantar su frecuencia natural por arriba del rango de operación del
ventilador. La ubicación del problema fue considerada inaccesible en
áreas requeridas para cualquier modificación de calza o montura.
Las
frecuencias naturales pueden ser alteradas también por cambios en la
masa o rigidez. La modificación más sencilla es el cambio en la masa.
Full Spectrum Diagnostics regreso al sitio pocos días después de la
visita inicial para una modificación masiva en línea (on-line). Nuevos
desarrollos estructurales incluyendo un perno roto en la base de la
montura en el lado débil de la unidad, indicando que la respuesta
empeoraba. El cerrojo roto fue reemplazado antes de la prueba. En total,
una cantidad de cincuenta bolsas de arena de treinta libras fueron
añadidas al sensible lado (Noroeste) de la base de la estructura.
¡Ningún
cambio apreciable en la respuesta de la amplitud fue medido de una carga
masiva de 1.500 lbs!
En este
punto, el caso para una grieta interna del tubo o falla en la soldadura
se estaba construyendo. El Sr. Hansen, director de la planta para New
England Fertilizer, llamó el fabricante del ventilador para discutir la
posibilidad de este tipo de defecto escondido. El fabricante del
ventilador resumió el éxito histórico de este modelo de marco de
ventilador y los detalles de sus requisitos de soldadura, concluyendo
que un fracaso de soldadura no era probable. El sr. Hansen siguió
presionando y preguntó si cualquier previsión de la garantía lo excluía
por cortar un hoyo en la base para inspeccionar visualmente las
soldaduras. El fabricante de origen otorgó el permiso, dos hoyos de 8
pulgadas de diámetro para la inspección fueron cortados.
Las
inspecciones visuales confirmaron una soldadura partida que
originalmente proporciona apoyo lateral estructural al marco (ver FIG
5).
Se
realizaron las reparaciones apropiadas de soldadura, reduciendo
efectivamente los niveles de vibración medidos en los cojinetes del
ventilador debajo de 0,100 ips en velocidades normales de operación.
Una
seguimiento a velocidad de barrido de VFD a velocidad de operación de
50%-100% fue realizado, notando que los niveles pico de vibración a
velocidad tope de 1725 RPM, indicaron la frecuencia natural ha sido
movida exitosamente arriba del rango de velocidad operacional. Las
velocidades normales de operación están en o debajo de 90% de toda la
velocidad (1605 RPM).
Conclusiones
Una
soldadura impropia, el procedimiento de soldadura, o el defecto de
soldadura fueron los responsables del debilitamiento estructural del
marco del ventilador. Con el tiempo, con la pérdida lenta de la
integridad de la soldadura vino también una pérdida en la rigidez del
marco. Un marco fundamental de la frecuencia natural originalmente
encima del rango de la velocidad operacional arrastró en el rango
corriente de velocidad y fue amplificada por el desbalanceo residual en
el sistema del rotor. Los movimientos estructurales del ventilador
originados en un lugar débil vertical en el ventilador del lado noroeste
del marco interior, teniendo como resultado general una respuesta
lateral excesiva de una medida más alta en la estructura en los bloques
de cojinete.
El
análisis ODS fue instrumental en localizar el defecto y definir la causa
primordial de este problema "escondido" de la vibración.
Dan
Ambre, P.E .es Ingeniero Mecánico y fundador de Full Spectrum
Diagnostics, PLLC, Una compañía de consultoría total de Servicios de
Mantenimiento Predictivo. Dan se especializa en la detección de
Resonancia, en el Análisis Modal Experimental, y en el diagnóstico ODS.
Visite por favor su sitio Web en www.fullspec.net, o mándele un correo
electrónico: modalguy@aol.com.
Bill Hansen
es el
Gerente
de
Planta
de New
England Fertilizer Company Shakopee, MN.
Bill se
unió a NEFCO en el 2000 momento en el cual manejo el comisionato y
arranque de las instalaciones de Shakopee. Bill tiene un titulo de
Ingeniero Químico de la Universidad de Minesota y su carrera lo ha
llevado de Nueva Jersey a California y algunos lugares en medio de estos
dos sitios. Bill es un Analista de Vibración Nivel I y además supervisa
el programa de vibración en las instalaciones de NEFCO. |
