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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
