Las máquinas son herramientas especialmente diseñadas para realizar tareas específicas. Para poder hacer eso, convierten energía en trabajo. Veamos el caso de un elevador de cangilones por ejemplo. La energía fluye a través de cada uno de los componentes de la máquina, desde el motor, pasando por el reductor, hasta llegar al elevador. El motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica, el eje del motor y el eje de entrada del reductor están unidos mediante un acople, y a su vez el eje de salida está también acoplado al eje entrada del elevador. Al igual que cualquier cadena, un tren de máquinas es sólo tan fuerte como su eslabón más débil.
Dependiendo de las demandas operacionales del elevador de cangilones, que podemos ver como la carga, la potencia entregada por el motor variará. La fuerza que en realidad hace rotar a cada eje se llama torque o par motor, y es directamente proporcional a la potencia. Esto significa que cuando queremos mantener una determinada velocidad de operación en nuestro proceso, y la carga aumenta, el motor debe entregar más potencia, y hace esto aumentando el torque.
Echando un vistazo más de cerca a los elementos involucrados en esta cadena de transmisión, tales como los dientes de los engranajes de la caja reductora y los diferentes ejes, podemos encontrar un gran número de partes que pueden fallar si no son capaces de resistir la torsión debido al torque aplicado. Ruptura en cualquiera de estos elementos puede ser atribuida a distintas razones, tales como fallas de diseño, baja calidad del material, incorrecta selección de alguno de los componentes, incorrecta operación de la máquina, o condiciones extremas de trabajo, que no fueron consideradas en el diseño original de la máquina, sólo por nombrar algunas.
QUÉ ES EL MONITOREO DE CONDICIONES?
El monitoreo de condiciones, monitorización de condiciones o supervisión de estado, es el componente fundamental de la estrategia del mantenimiento predictivo. Haciendo una analogía a un doctor y su paciente, el especialista en mantenimiento está encargado de monitorear la salud de sus máquinas. Sin embargo, en vez de medir tensión arterial, pulso, frecuencia respiratoria, etc., el especialista mide vibraciones, calidad de aceite, temeperatura, ultrasonido, entre otras. Al hacer esto, es capaz de rápidamente detecatar cambios en la condición de la máquina y tomar las medidas necesarias para poder adelantarse a una potencial falla, dejando que la producción marche fluidamente. Los beneficios de una programa de monitoreo de condiciones correctamente implementado son numerosos: menos paradas de planta no planificadas, menores costos de mantenimiento, menos repuestos necesarios en almacén, aumento en la productividad, y una extendida vida útil de las máquinas
CÓMO SE MIDE EL TORQUE?
Galgas tensiométricas protegidas contra humedad y contaminaciónm son instaladas en el eje (ver figura 1). A medida que las galgas son deformadas debido a esfuerzos generados en el eje, su resistencia eléctrica cambia proporcionalmente. Una señal de voltaje se hace pasar por las galgas tensiómetricas con el fin de medir los cambios de esta resistencia eléctrica. La señal es luego amplificada, y transmitida mediante una antena rotativa a una antena receptora estacionaria. Por último, llega a la unidad de evaluación, donde es rectificada y luego es medida como cualquier otro parámetro de proceso. Sabiendo cuanto se ha deformado elásticamente el eje, las dimensiones del eje y el módulo de cizalladura (una propiedad física del material del eje), es posible determinar el torque al cual está sometido dicho eje.
Figura 1. Componentes típicos necesarios para una medición de torque
MEDICIONES DE TORQUE EN UN ELEVADOR DE CANGILONESEl
Centro de Servicios y Diagnósticos de PRÜFTECHNIK Condition Monitoring realizó mediciones de torque a un elevador de cangilones en una fábrica de cemento. Este servicio fue solicitado por el cliente debido a rupturas en algunos engranajes dentro del reductor (Figura 2). El cliente había reportado que el reductor tenía varios años en funcionamiento sin problemas. Sin embargo, en los últimos 2 años ha habido dos incidentes separados con sólo siete meses entre uno y otro.
Figura 2. Dientes rotos en un reductor de un elevador de cangilones
Las galgas tensiométricas y la instrumentación necesaria fue instalada en el eje de salida del reductor (Figura 3). Junto a los componentes de medición de torque, se instalaron adicionalmente acelerómetros para la medición de vibraciones. Con el fin de poder lograr una correlación entre las mediciones de torque y vibración, se empleó un VIBGUARD, un sistema de monitoreo de condiciones multicanal desarrollado por PRÜFTECHNIK, que permite la medición sincrónica de todas las señales. La máquina fue monitoreada mientras en condiciones de producción normal, en vacío (sin carga) y durante el arranque.
Figura 3. Galga tensiométrica y lugar del montaje en el eje
Las lecturas iniciales del torque estático mostraron ligeras oscilaciones durante la operación normal (Figura 4), sin embargo esto no es inusual en este tipo de máquinas, y no sobrepasan el torque nominal del eje de salida del reductor.
Figura 4. Torque estático, lecturas cada segundo
El próximo paso fue medir fue medir la carga durante el arranque de la máquina. Debido a que este proceso es muy corto y altamente variable, se debe medir el torque dinámico, que es el componente AC de la señal. En este caso fue necesario medir una señal de alta resolución.
La figura 5 muestra que aunque aunque el pico más alto está apenas sobre los 29.400 N.m, que es el valor de torque nominal, hay un torque negativo presente, el cual refleja un comportamiento inusual del acoplamiento hidráulico.
Figura 5. Medición de torque dinámico durante el arranque
Por último, el torque fue también medido durante operación a carga máxima. Analizando la señal, oscilaciones pueden ser claramente observadas, pero con impactos de mayor amplitud superpuestos, entre los cuales hay aproximadamente 45 segundos de separación. De la señal original se realizó un análisis FFT con el objetivo de encontrar las frecuencias de la vibración torsional (Figuras 6 y 7). En el espectro de frecuencias, un pico dominante se puede identificar a 3,5Hz, que es la frecuencia de paso de los baldes o cangilones.
Figura 6. Torque dinámico durante operación a carga máxima
Figura 7. Espectro de frecuencias de la señal de torque dinámico
Al finalizar este servicio, se recomendó al cliente reducir la cantidad de aceite en el acople hidráulico y reducir la tensión en la correa de los baldes para intentar eliminar el componente negativo de torque. A largo plazo, se le debe reducir el peso a los baldes, o se debe intercambiar el reductor por uno más fuerte.
CONCLUSIÓN
Cuando se trata de proteger las máquinas, la combinación de mediciones de torque con el monitoreo de condiciones y de proceso ofrecen una ventaja única. Analizando de cerca el torque, se puede directamente evaluar los requerimientos operacionales de la máquina, detectar incorrecta operación e incluso fallas de diseño.
La medición de torque puede ser realizada como servicio, llevada a cabo temporalmente con un colector de datos portátil, o puede ser permanente, donde la señal de torque es constantemente analizada por un sistema de monitoreo de condiciones en línea. No importa si la máquina es nueva o vieja, las mediciones de torque pueden ser implementadas en cualquier momento.
En máquinas críticas para la producción, es recomendable implementar un sistema de monitoreo en línea de vibraciones y torque. En la mayoría de los casos, los costos reparación de un fallo inesperado de la máquina y valor total de la pérdida de producción, sobrepasan la inversión inicial para la implementación de dicho sistema.
Article by PRÜFTECHNIK
