Encontrando problemas de cojinetes

Una comparación entre el uso de Ultrasonido y Vibración

Por Ing. Thomas J Murphy 

Usted no me oirá que digo este muy a menudo pero, fui, en el pasado no muy lejano, inspirado por un político norteamericano. Aún más sorprender es que fue Donald Rumsfeld. "Allí son conocimientos conocidos, hay cosas que nosotros sabemos que sabemos," él dijo, "Hay cosas que desconocemos, es decir que hay cosas que nosotros ahora sabemos que no sabemos," y él continuó, "Pero hay también cosas desconocidas, hay cosas que nosotros sabemos que no sabemos. Y cada año nosotros descubrimos un poco más de eso desconocido".  

He estado utilizando exitosamente ultrasonido como una tecnología complementaria a la vibración durante un tiempo. Al tratar de conocer más profundamente como trabaja la tecnología, usted también debe de tratar de conocer más en la parte del desconocido desconocido en la vibración.  

La vibración no es el último instrumento de evaluación de condición.   

Con el paso de los años, muchas de las leyes básicas de matemáticas y física han sido rescritas o ignoradas para aumentar la gama de aplicaciones para la tecnología, que tiende a aumentar las ventas de equipo y software. Este aumento de la aplicación ha causado a la industria de la vibración más daño que beneficio. En los viejos tiempos, cuándo la vibración era utilizada en plantas de centrales eléctricas y productos petroquímicos en máquinas que trabajaban a 500-3600rpm, y donde los niveles generales de vibración tenían sentido, todo estaba bien. Tome el mismo equipo y métodos en una fábrica de alimento, una imprenta o aún algo tan sencillo como el motor inversor ubicuo y hay muchas historias de "fracasos perdidos".  

Entonces, cómo una técnica tan conocida y bien establecida encuentra tales dificultades fundamentales? La respuesta a esta pregunta tiene un gran retorno en el tiempo. 

Estabilidad y Continuidad 

Las matemáticas de Fourier son basadas sobre el tratamiento de una señal que es continua - una señal que es infinitamente larga y estable. En el mundo del procesamiento de señales esta limitación fue vencida utilizando las funciones de ventana como Hann o rectangular. Entonces Nyquist nos mostró cómo eliminar el solapamiento al digitalizar una señal de muestra. Cuándo cambiamos a recolectores portátiles de datos, el procesamiento de la señal fue ruidoso. Así que empezamos a utilizar promedios, que hizo más lento el tiempo de adquisición de datos pero aumentó la gama dinámica cada vez que duplicamos el número de promedios. Pero es muy lento. Así que agregamos la superposición de procesamiento y una conversión analógica a digital más rápida para que podamos tomar múltiples promedios en my poco tiempo. ¿El resultado neto? ¡Perdemos cosas porque nosotros o introducimos la deformación a causa de nuestra necesidad para la velocidad, o perdemos cosas porque promediamos fuera el acontecimiento que causa realmente el daño! ¡Si solamente tuviera un dólar por cada señal de tiempo que he visto! 

Figura 1.- señal sujetada

Naturaleza Impulsiva 

El pensamiento Sinusoidal, las matemáticas y el procesamiento de señal no trabajan bien con un impulso. A través de la historia de la capacitación de la vibración, los defectos arquetípicos de cojinete han sido representados como un  impulso o pulso:  

Figura 2

Todavía, en la misma capacitación, nos dicen acerca de la forma clásica del pez de colores de defecto del cojinete:  

Figura 3.- Patron de la forma clásica del pez de colores en un cojinete defectuoso

Estos dos son supuestamente uno y el mismo. Me pregunto por qué nunca nos dijeron la pura verdad que el problema aquí está uno del rango de frecuencia.  

Figura 4 - Comparación de una señal de 39.6kHz.. Parte superior: La Señal original, Medio: El filtro de 20 khz de paso bajo, Final: Filtro de 5 khz.

Rango de frecuencia 

Los Pulsos contienen componentes de alta frecuencia en su borde de ataque. Para verlos usted necesita poder medir ésos componentes de alta frecuencia. Hace casi 25 años, estuve involucrado en medidas de golpe asociadas con detonaciones explosivas. Utilizando solo electrónica analógica y acelerómetros con frecuencias resonantes montadas por encima de 300 Khz., fue posible capturar los acontecimientos que terminaron en unos pocos microsegundos. En las inspecciones rutinarias diarias de monitoreo de vibración, muchos de los principios básicos de los buenos métodos de medida son sacrificados por la velocidad. En el contexto de este artículo, el problema más grande es la respuesta de la frecuencia de un acelerómetro (montado con un imán o de mano) utilizado para la recolección rutinaria de datos.  

Nuestros instrumentos analíticos ignoran el hecho que hay un acontecimiento, un acontecimiento en el que nosotros sólo podemos ver el final, y concentrarnos en lugar en la frecuencia de la repetición – el BPFO, BPFI o el que sea. Pensando acerca de esto destapa un desperfecto inmenso en el método de la vibración – por todos estos años, nosotros no nos hemos molestado con la magnitud del evento, sólo con qué frecuencia ocurre! 

Para demostrar mi punto, mire la Figura 4, que es una comparación muy útil. La señal superior del tiempo muestra un solo pulso de 39,6 khz de la longitud de onda que es repetido en 150 Hz. La señal mediana muestra esa fuente pasó por un filtro de paso bajo de 20 khz – representando lo mejor de esa mejor práctica "normal" en la vibración quizás pueda lograr. La señal más baja del tiempo es la fuente pasada por un filtro de paso bajo de 5 khz  – correspondiendo al desempeño de un "montaje magnético para morirse". Mire las diferencias en la amplitud y note la apariencia del pez de colores. ¿Ahora, piensa realmente usted que la señal más baja de tiempo está en cualquier manera una representación verdadera de la señal superior? Si su respuesta es no, entonces usted comienza a darse cuenta del beneficio del ultrasonido. 

Utilizando Ultrasonido 

El Ultrasonido no le puede ayudar con un problema de alineación o balanceo. Pero le puede ayudar con un problema de cojinete – ya sea  defecto o de lubricación e inclusive de fuga a tierra. Irónicamente, el ultrasonido es rápido – más rápido que la vibración con todos sus atajos. Para tomar una lectura de ultrasonido, mientras escucha el carácter del sonido para ser medido, toma aproximadamente 15 segundos. Desde que tratamos sólo con números, la tendencia y el análisis de los datos completos son magníficamente básicos: los valores absolutos, las tendencias, el significado estadístico o cualquiera que usted elija. 

El Experimento 

Una población de 8 máquinas bastante complejas en un centro de fabricación de alimento fue seleccionado como el sitio ideal de prueba. La razón de la selección que es fundamentalmente que con los métodos estándares de vibración algunas veces es difícil identificar un defecto. Los defectos más comunes fueron la falta de lubricación debido a un fracaso en las tuberías de la lubricación o el desgaste excesivo producto de un arreglo inexacto de la máquina.  

Los datos de ultrasonido fueron reunidos junto con las lecturas rutinarias de la vibración en las máquinas. Los datos de ultrasonido son tabulados en las Figuras 5.1, 5.2 y 5.3. El valor más alto en cada ubicación está en rojo y cualquier valor encima de 35dBµV es destacado. 

Figura 5.1 - Primer juego de datos de ultrasonido.

Figura 5.2 - Segundo juego de datos recolectados un mes despues.

Figura 5.2 - Tercer juego de datos recolectados un mes despues.

Análisis 

En el primer mes, el peor cojinete dentro de la población entera de datos fue el cojinete 1 en la máquina 5.  

Mirando una cascada a la alta velocidad del espectro de aceleración (Figura 6) sobre los 3 meses, nosotros podemos ver que la primera lectura muestra una cantidad significativa de energía a la alta velocidad que desapareció después de que el cojinete fuera cambiado.  

Figura 6 - Cascada de espectro de aceleracion en los 3 meses

Mirando la cascada del espectro envolvente en la Figura 7 vemos una mejora aún más dramática – sugiriendo quizás que el método de  vibración envolvente quizás sea una medida más sensible.  

Figura 7 Cascada de espectro envolvente en los 3 meses

Comparando los 8 espectro envolventes podíamos ver claramente que la maquina 5 estaba significativamente peor que las demás.

Figura 8   Comparación de las técnicas de vibración en la maquina 5.

La figura 8 muestra una comparación del espectro envolvente, de la velocidad general de ISO, y de la aceleración de pico general de banda ancha.  

La velocidad general de ISO no muestra mucho, mientras que la aceleración de pico general muestra algo. Sin embargo, una vez más la medida envolvente muestra la respuesta más sensible al defecto.  

Comentarios 

Por lo tanto, puede ser visto que algunos métodos de la medida de vibración son más sensibles que otros a identificar la presencia de esta clase de problema.  

Pero (y es un gran pero), los datos de ultrasonido tomaron 15 segundos por medida y casi nada de tiempo en procesar en identificar desvíos de la norma. Los datos de vibración pueden haber tomado 60 segundos por medida y después requieren de un procesamiento apreciablemente más largo para alcanzar una conclusión corroborativa.  

El análisis más sencillo asociado con las lecturas de ultrasonido también parece indicar cuando hay una máquina con lecturas continuamente altas, como la maquina 2, y también cuando una reparación ha sido realizada exitosamente. Note que este cojinete representado en la máquina 5 bajo de 50 a 9 dBµV entre el primer mes y el segundo.  

Una de las críticas levantadas contra el uso de ultrasonido es la falta de estándares uniformes de severidad. Personalmente, creo que la mayoría de los estándares de severidad salen de la ventana cuando usted comienza a hablar de maquinaria de rotación por debajo de unos cuantos cientos de rpm o cuando se usan motores con caballos de fuerza fraccionales. ¿Por ejemplo, qué clase de estándar tendría un espectro con una escala total de 0.1g como una indicación de un problema? 

Otra crítica comúnmente levantada, concierne al uso de una escala de dB que se refiere a una referencia de voltaje en vez de una referencia física. Hay algún pequeño mérito en esto, pero lo que necesitamos sobre todo en nuestro monitoreo de condición es la confianza de la medida y de la repetibilidad antes que la medida absoluta – a fin de cuentas, cuántas personas juran ciegamente que su medida de vibración es absolutamente correcta cuando es medida con un instrumento de cadena que - a lo más - proporcionará un repetibilidad de ±15% y con que utiliza un acelerómetro que solo tiene un punto de calibración de frecuencia montado en un imán que proporciona una respuesta totalmente desconocida de la frecuencia?  

Prácticamente, cuando se usa un sistema definido de medida en dBµV, el ultrasonido es no menos exacto ni capaz de ser repetido que la mayoría de los usuarios de los programas de vibración.  

Una pregunta que crece en volumen dentro de la industria es si hay una manera más sencilla o más fácil de operar un programa de PdM en una base diaria. Los resultados de mi exploración serían un cauteloso sí. ¿Por qué cauteloso? Porque "huir" con utilizar una tecnología más "sencilla" usted debe saber algo acerca de su máquina – necesita haber hecho un Análisis de Efecto y Modo de Falla. 

La vibración es un método curioso de medida. Tendemos a pensar en la medida de la corriente o el voltaje como sencillo, sincero y entendible – eso es lo que nos enseñaron en la escuela. Pero con la vibración, la respuesta que obtiene depende de la pregunta que se hace – es decir que no vale la pena buscar una condición de desbalanceo midiendo la aceleración de alta frecuencia, o, opuestamente, usted tiene mucha esperanza en identificar una pobre lubricación de un valor de velocidad general de ISO.  

Si su FMEA le dice que desbalanceo o desalineación es su principal preocupación, entonces usted necesita de la vibración. 

Si, sin embargo, usted trabaja en una planta de manufactura de pizzas donde los transportadores son regados con una manga con agua caliente a alta presión todas las noches y toda la grasa es lavada de todos los cojinetes del transportador, usted debe considerar el ultrasonido como su instrumento primario de prueba.  

En pocas palabras, habiendo completado un FMEA, si todo lo que quiere hacer es preguntar "esa maquina esta bien"? y sólo busca una respuesta de sí/no, entonces usted puede probablemente tener mucho éxito con el ultrasonido.

Si, sin embargo, usted tiene un "no" como respuesta y eso estimula una pregunta suplementaria de "qué le pasa"?, entonces usted necesitará probablemente de la vibración.  

Cuánto más rápido y más amigable usted puede hacer su programa de PdM aplicando este enfoque multi-disciplinario es su decisión. A fin de cuentas, en esta etapa, es probablemente todavía un conocido desconocido.  

Tom Murphy es un graduado de Acústica de la Universidad de Salford y tiene 25 años de experiencia en el mundo de la medida industrial de  vibración – 15 de esos años han sido implicados con el uso de técnicas de ODS en el papel, impresión, petroquímica, generación de energía, farmacéutica y alimentos. Tom es el Director de Adash 3TP Limited, basado en Manchester, Inglaterra, una compañía que se especializa en la aplicación de vibración, las tecnologías infrarrojas y ultrasónicas para mejorar el mantenimiento. Más información puede ser encontrada en www.reliabilityteam.com y Tom puede ser contactado en +044 161 788 9927 o en tom@adash3tp.co.uk