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Datos y consejos para diagnosticar fallas de cajas de engranes con vibración

Jason Tranter | Fundador y Director Ejecutivo, Mobius Institute

Cuando se acoplan los engranes, esperamos que ocurra algo de vibración. Es contacto de rotación, lo cual generará vibración, como se muestra aquí. Puede haber un alza y una baja en la amplitud de vibración. Usted necesita entender cómo cambia la vibración al ocurrir las fallas. Aquí tiene 10 datos y consejos que le ayudaran.

Dato #1: Acoplamiento de Engranes = # dientes x velocidad de rotación

La simple vibración que es única para las cajas de engranes es la frecuencia de acoplamiento de engranes: el número de dientes por la velocidad de operación. Aun si dos engranes que se están acoplando no tienen el mismo número de dientes, se tendrá una sola frecuencia para ese par.

Dato #2: Bandas laterales a velocidad de operación

También veremos bandas laterales. Si ve de cerca este par de engranes, verá que el engrane de la izquierda está excéntrico, haciendo que los engranes se acoplen con una mayor fuerza y después se alejan el uno del otro. Es la misma frecuencia de acoplamiento de engranes, pero está modulada en amplitud. También se puede tener una modulación de la frecuencia. De cualquier manera, habrá bandas laterales en la vibración y esto nos ayudará a entender lo que está ocurriendo.

Es importante conocer la historia de la vibración de la caja de engranes para nosotros saber si la amplitud realmente se está incrementando. Más bandas laterales indican una falla como esta, o desalineación. En ambos casos, veremos múltiplos de la frecuencia de acoplamiento de engranes y bandas laterales (del eje ofensivo) alrededor de cada uno de esos picos.

Al girar el eje, veremos cambios en la vibración. Si hay mucho desgaste, o mucha carga en los dientes, habrá más vibración en el acoplamiento de dientes. La amplitud cambia conforme la carga cambia. Cuando registra una vibración, registra una ventana de tiempo. Cuando hacemos un FFT, veremos esa alza y bajada de vibración como bandas laterales. (Recomiendo ver los datos como una forma de onda de tiempo también.) Aquí está nuestra frecuencia de acoplamiento de engranes con sus bandas laterales. Si hay 12 dientes en el engrane, eso será 12x en nuestra entrada. Puede haber bandas laterales en la velocidad de entrada o de salida dependiendo de la naturaleza de la falla y de cual eje tiene el problema.

También podemos ver armónicas de frecuencia de acoplamiento de engranes. Necesitamos una medición con un Fmax bastante alta para ver tres, o idealmente cuatro, de esas frecuencias de acoplamiento de engranes, con suficiente rango extra de frecuencias para ver bandas laterales alrededor de cada una de esas.

Este caso proviene del RMS en el UK. Está ocurriendo un desgaste, y puede ver la frecuencia de acoplamiento de engranes y muchas bandas laterales. No están ocurriendo muchas cosas el acoplamiento de engranes en 2X y 3X.

Consejo #3: Fmax > 3x acoplamiento de engranes

Quiere tener un Fmax bastante alto para capturar acoplamiento de engranes de 3x, idealmente 4x, especialmente para el análisis de la forma de onda de tiempo.

Consejo #4: 1600 líneas de resolución o más alto.

La resolución es su amiga cuando está usando análisis de espectro en las cajas de engranes. Necesitamos ver todas esas bandas laterales, así que mientras más suba en frecuencia, necesitaremos más líneas y más alta resolución con el fin de obtener la resolución deseada en el espectro. Necesita tener la capacidad de ver no solamente un juego de bandas laterales, sino de poder separar dos juegos de bandas laterales relacionadas con picos diferentes. Considere el acoplamiento de engranes y la velocidad de operación real de cada eje.

Consejo #5: Observe la amplitud en cada frecuencia de acoplamiento de engranes.

Tome nota de las amplitudes en 1X, 2X, 3X, y 4X de la frecuencia de acoplamiento de engranes. Mire las bandas laterales de la velocidad del eje de entrada alrededor de cada uno de esos picos de acoplamiento de engranes, así como la velocidad de salida. Esto es principalmente para detectar desalineación, contragolpe, eje doblado, excentricidad y desgaste de dientes. Si hay una alta carga en los dientes, los picos de acoplamiento de engranes subirán, pero puede que no haya modulación, por lo tanto, la actividad de bandas laterales no cambiará.

Aquí esta una turbina de gas impulsando un generador a través de una caja de engranes. A través un periodo de tiempo, la amplitud cambió (puedes ver 1X, 2X, y 3X de acoplamiento de engranes en esta serie de espectros ordenados uno junto al otro). Lo que está sucediendo es que, conforme esta caja de engranes sube a la temperatura de trabajo, la posición de los engranes relativos a los otros engranes ha cambiado. Con plena carga, en la temperatura apropiada, había un contacto apropiado entre los dientes. Pero conforme la máquina agarraba velocidad, se tenía menos carga y menos contacto, y esto cambió la vibración. Lo que esto demuestra es que la vibración va a cambiar dependiendo de la carga en los dientes y la naturaleza del contacto entre los dientes.

En este caso, tenemos una complicada caja de engranes en un molino de bolas que tenía desalineación entre dos engranes de acoplamiento (en círculo). El espectro muestra la frecuencia de acoplamiento de engranes, 2x frecuencia de acoplamiento de engranes, y 3x frecuencia de acoplamiento de engranes con actividad de banda lateral. El LOR está fijado en 6400, que nos permite ver todo esto. Observe que hemos medido en aceleración, lo cual es más sensible a la vibración de alta frecuencia. Si viéramos en velocidad, la amplitud de esto picos estarían más cerca el uno del otro. La aceleración es una buena unidad para usarla en su forma de onda de tiempo y espectro. Si viera ésta gráfica en una escala de amplitud logarítmica, también veríamos bandas laterales alrededor de cada uno de estos picos.

Recuerde que la desalineación normal, por ejemplo, entre un motor y una bomba, vemos una vibración de 2x y 3x, dependiendo de la naturaleza del cople y la cantidad de desalineación.

Dato #6: Las técnicas de alta frecuencia son efectivas.

Usando un acelerómetro y dejándolo en G’s o metros por segundo al cuadrado es una buena técnica, pero las técnicas de medición de alta frecuencia, como envolvente, demodulación, PeakVue, Shock Pulse, y HD, son herramientas muy efectivas al estar probando cajas de engranes. Las fallas de los engranes involucran contacto metal con metal, lo cual genera ondas de esfuerzo. Estas son las mismas herramientas que usaríamos para fallas de rodamiento (y también puede haber fallas de rodamiento en su caja de engranes). Eso es cierto para desalineación y eje doblado como también para daños en los dientes.

Este espectro proviene de una medición tomada en una complicada caja de engranes de una prensa de pulpa. Muestra múltiples frecuencias de un acoplamiento de engranes de un par de engranes que estaban desalineados. La resolución no es alta, dificultando la separación de bandas laterales. Pero en la forma de onda de tiempo, puede ver los picos de vibración con cada revolución. Esto es PeakVue, que acentúa cualquier impacto y desgaste que esté ocurriendo.

Consejo #7: Grafique la Tendencia de la Vibración del Acoplamiento de engranes

Debe graficar la tendencia de los cambios en la vibración del acoplamiento de engranes. La forma más sencilla de hacerlo es tomar toda la vibración en una cierta banda y ver cómo está cambiando a través del tiempo. Puede establecer bandas separadas para las armónicas y hacer lo mismo para cada uno. Pero si puede, vea si el software puede tomar toda esa vibración como un solo valor y grafique su tendencia. Si ve un cambio, mire el espectro otra vez.

También, vea si el software puede graficar la tendencia de las bandas laterales del acoplamiento de engranes en forma separada. La tendencia es su amiga.

Hablemos del daño en los dientes. Si hay daño en los dientes, por ejemplo, solo un diente dañado, la vibración asociada con esa falla ocurre solo una vez por revolución de ese engrane, produciendo un pico en vibración al acoplarse. En este caso, la frecuencia de acoplamiento de engranes y la actividad de la banda lateral no son importantes, pero la causa del daño al diente puede ser la desalineación, excentricidad o algo parecido. Ese impacto puede excitar la resonancia, causando el pico. Cuando los dientes buenos pasan por el acoplamiento, la vibración es normal sin picos.

La forma de onda del tiempo mostrará esta actividad más claramente que el espectro. Solo tenga presente el número de rotaciones para cada engrane mientras ves la forma de onda, ya que pueden ser diferentes.

Dato #8: La mejor forma de ver los datos de falla de la caja de engranes (especialmente para daños a los dientes)

El análisis de la forma de onda del tiempo es su mejor amigo al estudiar cajas de engranes. Nos permite ver lo que está sucediendo cada vez que el eje gira. Hay unas cuantas maneras de ver esos datos.

Dato #9: Use unidades de aceleración (G’s o m/s2) y/o tecnología de onda de esfuerzo.

Como ya lo he mencionado, el usar unidades de aceleración o tecnología de onda de esfuerzo (PeakVue, Shock Pulse, envolvente, HD, demodulación) es útil porque acentúan las frecuencias más altas generadas por las cajas de engranes—el acoplamiento, impactos potenciales.
En esta forma de onda de tiempo, vemos un pico en vibración en una vez por revolución. Un diente está astillado, y esto es la causa del pico cada vez que se acopla. Viendo la forma de onda del tiempo en revoluciones del eje en lugar de segundos le ayudará a verlo más claramente.

Con una caja de engranes más complicada, los promedios de tiempos síncronos nos permiten eliminar por promedios todos los datos no asociados con el engrane que nos interesa. La vibración aquí mostrada incluye vibración de 1x, vibración de 5x (para fines de simulación—usualmente tendrías más de 5 dientes en un engrane), algo de vibración no síncrona en 7.2x. Para usar ésta técnica, comienza cada forma de onda de tiempo sincronizada con la revolución del eje. Observe que la vibración de su rodamiento probablemente se elimine por promedios en este proceso.

La auto correlación es una técnica que limpia algo del ruido en el registro del tiempo y produce una forma de onda de tiempo más limpia. No elimina la vibración no síncrona, por lo tanto, los acoplamientos de engranes estarán presentes, así como toda la vibración del rodamiento.

Una trama circular toma la forma de onda de tiempo y la estira alrededor de un círculo para que usted pueda “ver” el engrane. Debe hacer un zoom en la forma de onda de tiempo y tomar solo una revolución del eje una sola vez, alrededor del círculo. Debemos ver la vibración normal cuando los dientes buenos se acoplan y un pico más grande cuando el diente dañado se acopla.

Esta caja de engranes de una máquina para papel tiene 16 dientes en el engrane izquierdo y 80 dientes en el engrane derecho. Las tramas circulares fueron tomadas de estos sitios en diferentes ejes. Esta fue tomada en velocidad, pero se usaron promedios de tiempo síncrono. Cinco veces por revolución, tenemos un conjunto de tres picos. Esto se debe al diseño. Cuando tienes 16 y 80 dientes, tienes un problema de ensamble.

El mismo problema fue medido usando tecnología HD, la cual es más sensible a la vibración. Podemos ver los cinco juegos originales de dientes acoplándose, pero también podemos ver otros cinco juegos de dientes dañados.

Los cinco juegos de dientes fueron marcados en la misma caja de engranes, y aquí los puede ver. Hay en verdad cinco juegos de tres dientes dañados alrededor del engrane de giro más grande. Si piensa en el patrón y en cómo funcionan los engranes, llegará a la conclusión de que debe haber daño en el piñón diferencial más pequeño para causar ese patrón. Si separáramos esos engranes y los juntáramos otra vez pero en diferente manera, el daño se extendería alrededor del engrane (que es probablemente la causa de los otros juegos de picos capturados por el HD).

Dato #10: El incrementar Fmax le da más muestras por segundo, o sea, resolución de tiempo más alto

Al incrementar el número de muestras en una forma de onda de tiempo, lo que sucede con el incremento en Fmax, vemos más muestras por revolución. Cuando cambiamos nuestro Fmax, cambiamos el número de muestras por segundo que son capturadas, lo que significa una resolución de tiempo más alto. Cuando cambiamos las líneas de resolución, obtenemos un mayor tiempo de registro, lo que significa más revoluciones del engrane. Queremos alta resolución para nuestro análisis de espectro, pero no particularmente para nuestro análisis de forma de onda de tiempo, ya que nos puede causar que no veamos algunos detalles. Usted puede solucionar este problema tomando dos mediciones separadas.

Imagine el sistema digitalizando la señal análoga que está entrando, dándonos un cierto número de muestras por revolución del eje. Si en vez de eso vemos una caja de engranes, vemos que la tasa de muestras nos dará un cierto número de muestras por acoplamiento de diente. En el siguiente espectro, solo veo un acoplamiento de engranes. Si incremento el Fmax, veré más juegos de picos de acoplamiento de engranes con bandas laterales. Pero si incremento las líneas de resolución, mi espectro comienza a verse mejor, con picos más agudos, pero mi forma de onda de tiempo no muestra claramente el acoplamiento de dientes.

En pocas palabras, para el análisis de la forma de onda de tiempo, necesitamos pensar acerca del número de muestras por segundo, el cual traduce el número de muestras por acoplamiento de dientes. Eso nos da la visibilidad para ver exactamente lo que está ocurriendo conforme esos dientes se acoplan. Pero el Fmax determina la resolución del tiempo. Las líneas de resolución dictan que tan bien se va a ver el espectro, pero también cuantas revoluciones del eje habrá. Si tiene la resolución que quiere, puede hacer un zoom en la forma de onda de tiempo y ver todo lo que necesita ver (de todas maneras, es un buen hábito hacer un zoom).

En conclusión, usted necesita entender la caja de engranes, los modos de falla y las causas raíz, la historia de vibración y de mantenimiento, y las opciones de medición. Y necesita entender cómo interpretar los datos.

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CARLOS GALICIA
CARLOS GALICIA
11 meses hace

De mucha utilidad los tips.!!

SOBRE EL AUTOR

Jason Tranter Fundador y Director Ejecutivo, Mobius Institute

Jason Tranter es el fundador y CEO del Instituto Mobius. Jason es el autor de la mayoría de los cursos de capacitación del Instituto Mobius y productos de e-learning que cubren la mejora de la confiabilidad, el monitoreo de condiciones y los temas de mantenimiento de precisión. Más de 35.000 personas (a partir de 2020) han recibido formación formal en estos cursos, y muchos miles más han sido educadas a través de los cursos de aprendizaje. Además, miles de personas han leído artículos, han asistido a presentaciones de conferencias y han visto videos y seminarios web en muchos sitios, incluidos cbmconnect.com, reliabilityconnect.com y YouTube (más de 1,3 millones de visitas).

Jason Tranter ha trabajado con personas en una variedad de industrias para ayudar a mejorar la confiabilidad e implementar programas exitosos de monitoreo de condición. Como autor principal de los cursos de formación de Asset Reliability Practitioner [ARP], la metodología Asset Reliability Transformation [ART] y el curso de formación de análisis de vibraciones (Categoría I-IV después de 18436-2) le encanta ayudar a las personas a alcanzar sus objetivos. Jason es también delegado australiano en ISO TC 108/SC5 “Monitoreo de condiciones y diagnóstico de sistemas de máquinas”.

Mobius Institute cuenta con centros de formación en más de 60 países, y también proporciona certificación a través de la Junta de Certificación del Instituto Mobius. Los programas de certificación están acreditados según ISO/IEC 17024. Mobius tiene oficinas directas en Australia, Estados Unidos, Europa, América Latina, Asia y Oriente Medio con más de 35 empleados.