ESA también evalúa e identifica fallas con la energía entrante a la planta, la energía suministrada al motor, así como también fallas eléctricas y mecánicas en el sistema del motor. Además, ESA está sobresaliendo como una tecnología muy importante dentro de algunos programas de Confiabilidad Eléctrica. Algunas fábricas la están utilizando como la herramienta de detección principal para identificar tanto problemas mecánicos como eléctricos en sus máquinas, que son impulsadas por motores eléctricos. Este documento examinará ambas tecnologías dinámicas del Programa de Mantenimiento Predictivo (PdM) e identificará las fortalezas y debilidades de cada tecnología y tratará de determinar en dónde estas dos tecnologías encajan mejor en un Programa de Confiabilidad.
Filosofías de Mantenimiento:
En compañías con gran capital de equipamiento que también proveen servicios o fabrican un producto con equipo de gran inversión. Con la finalidad de proteger estos equipos y mantenerlos en operación, es necesario realizar un mantenimiento. La presión sobre el tiempo hace que las empresas fabriquen productos de alta calidad a bajos costos, mientras tratan de obtener mayores ganancias. Los proveedores de servicios también están sujetos a proveer servicios más confiables a un costo menor. Esto demanda del departamento de mantenimiento no sólo mantener adecuadamente este equipo, sino hacerlo al más bajo costo posible.
Estas presiones han recaído en la evolución de las prácticas ó filosofías de mantenimiento. Las primeras prácticas de mantenimiento fueron conocidas como “déjalo hasta que falle” (RTF, run til failure), pero la presión de la industria ha evolucionado estas prácticas de mantenimiento hasta la precisión (o mantenimiento proactivo).
Una breve revisión de estas filosofías de mantenimiento y sus costos pueden explicar la necesidad de evolucionar estas prácticas. Estos costos de RTF, mantenimiento Preventivo y Predictivo fueron extraídos de un artículo publicado a finales de los 70’s de una Refinería en el sur de los EUA que dio seguimiento y publicó sus costos de mantenimiento a través de su evolución. Los costos de Precisión se agregaron y ajustaron por el costo de la vida, basados en resultados de muchas fábricas que implementaron el Mantenimiento de Precisión en los primeros años de los 90´s.
Déjalo hasta que falle “RTF” ($17 – 18/HP/YR):
Este enfoque requiere de la participación de poco más que encender y apagar la máquina y suministrar un producto. De esta forma, la máquina continúa operando sin interrupción. Sin embargo, cuando la falla ocurre, normalmente es muy severa y resulta ser la falla de un componente original, así como el daño a otros componentes de esa máquina, tales como máquinas asociadas y su origen. Este daño adicional resulta en daño a los componentes, los cuales normalmente no fallan y rara vez se tienen de repuesto.
El reparar o reemplazar estos componentes requiere que se fabriquen “en casa” o comprarlos con el fabricante original a un costo superior y con largos tiempos de entrega, resultando en paros prolongados. Por lo tanto, RTF resulta ser el método más caro de mantenimiento de equipo en planta. Esto sin considerar los costos en pérdidas de producción. Estos costos son muy difíciles de predecir y medir, pero la experiencia nos ha mostrado que el incremento en los costos de mantenimiento regularmente suele dar lugar a interrupciones adicionales.
Mantenimiento Preventivo ($11-12/HP/YR):
Esta filosofía de mantenimiento se basa en asumir que el equipo mecánico será utilizado y fallará con el tiempo. Los diseñadores y fabricantes de maquinaria, investigan y estudian sus máquinas para determinar los requisitos de mantenimiento e intervalos de inspección. El mantenimiento recomendado y las inspecciones son entonces desarrollados en estos intervalos de tiempo predeterminados.
Sin embargo, en la mitad de los 80’s, un estudio de confiabilidad escrito por Nolan and Heap, determinó que las máquinas no fallan con el tiempo. Ellas fallan demasiado pronto o demasiado tarde. Las máquinas que fallan demasiado pronto tienen los mismos costos y problemas asociados que cita el mantenimiento “déjalo hasta que falle”, mientras que las máquinas que fallan demasiado tarde requieren muchas horas de mantenimiento innecesario y reemplazo prematuro de componentes. Lo más importante que este estudio determinó es que solamente cerca del 11% de las fallas estaban relacionadas con la edad y el 89% restante eran más al azar. Esto significa básicamente que el mantenimiento preventivo es efectivo para el 11% de las fallas, pero ineficaz para el 89%. También reportaron que el 68% de las fallas ocurren justo después de la instalación ó reparación de una máquina, este periodo es a menudo referido a un periodo de libranza y entre más compleja es la máquina es más probable que ésta falle durante el periodo de libranza.
Mantenimiento Predictivo ($7-8/HP/YR):
Una reducción adicional en los costos de mantenimiento se ha logrado a través del uso del monitoreo de condiciones. A principios de los años 60´s las compañías reconocieron que cuando un equipo rotativo comenzaba a fallar, sus condiciones operativas cambiaban. Con el monitoreo rutinario de estas condiciones operativas, una alerta anticipada de estos cambios proporcionaba suficiente tiempo para sacar la máquina de operación antes de que ocurriera una falla catastrófica.
La filosofía de mantenimiento ha ido escalando desde principio de los 80’s con la entrada del microprocesador basado en colectores de datos. Las características de operación de una máquina, tales como temperatura, presión, condición del aceite, vibración y desempeño pueden ser medidas y crear tendencias para identificar cambios. En algunos casos comparando estas mediciones para predeterminar valores, podemos rápidamente identificar la condición de la máquina sin esta tendencia. Esto nos lleva a una rápida aceptación e implementación de programas de mantenimiento (PdM). El mantenimiento predictivo usa varias mediciones de la máquina para identificar su condición. Existen muchas tecnologías diferentes de PdM y los programas más exitosos usan múltiples tecnologías para proveer de mayor información y consecuentemente la más alta probabilidad de identificar una máquina con un problema en desarrollo.
Muchos programas de PdM son los culpables de la “Ceguera Forestal” (no se puede ver el bosque desde los árboles). Dedican mucho tiempo recolectando información que no tendrán tiempo de analizar o que descuidan por máquinas “menos críticas”.
Los programas PdM más exitosos usan detección efectiva. El objetivo de la fase de detección es identificar “máquinas graves”. Una vez que se identifica una máquina grave, entonces podrán ser utilizadas diferentes mediciones y tecnologías para determinar que causó el cambio de condiciones de la máquina y después son tomadas las acciones correctivas apropiadas para colocar la máquina de vuelta en buenas condiciones. Esta evolución ha llevado a establecer tres fases en el PdM. Las tres fases son: detección, análisis y corrección. Algunos programas han agregado una cuarta, la cual es verificación, sin embargo creo que esta verificación es parte de la fase de corrección.
Algunas de las tecnologías más comunes del PdM son el Análisis de Vibración (MVA), Termografía Infrarroja, Ultra-sonido, Análisis de Aceite, Análisis de Circuito del Motor (MCA) y Análisis de la Firma Eléctrica (ESA). La característica en común de las tecnologías más exitosas del PdM es que son fáciles de realizar y realizan mediciones no-destructivas y repetibles.
Fase de Detección:
Esta es normalmente la fase más importante y es la base para un PdM completo. La fase de detección involucra monitoreo periódico de las características de operación del equipo seleccionado. Se crea tendencia de los valores y son inspeccionados para cualquier cambio. El proceso de recolección de datos debería ser hecho rápida y cuidadosamente, con la intención de monitorear la mayor cantidad de máquinas posible. Cuando se detecta un cambio, se toman datos adicionales con fines de análisis para determinar la causa del cambio de condición en la máquina.
En la fase de detección el propósito principal es identificar las máquinas que están fallando. Esto significa cuántas máquinas son seleccionadas en el periodo de tiempo más corto posible. La mayoría de los programas del PdM (software) pueden visualizar la información recolectada e identificar máquinas sospechosas.
Fase de Análisis:
Esta fase involucra tomar información adicional y quizá diferente tipo de datos que en la fase de detección. Esta información adicional usualmente requiere recolección adicional de datos. Ya que solo unas cuantas máquinas, durante la fase de detección (entre el 2% y el 3% en un programa maduro) muestran algún cambio significativo, este es normalmente más tiempo efectivo para tomar rápidamente los datos necesarios para identificar un cambio durante el proceso de detección y entonces regresar para un análisis más detallado una vez que el cambio es detectado.
Sin embargo, si el sitio de la planta es remoto ó tiene otras limitaciones de acceso, entonces el tomar información más detallada durante la fase detección estará justificado. Muchas fabricas y sitios deciden instalar permanentemente sistemas de monitoreo para estas aplicaciones.
Fase de Corrección:
Esta fase involucra corregir y eliminar el problema que disparó el cambio de condición. Esto puede requerir limpiar un ventilador, reemplazar rodamientos o acoplamientos gastados, etc. Niveles de vibración aceptables u otros niveles de medición de desempeño determinan el tipo exacto de correcciones y reparaciones. Los detalles para corregir y eliminar estos problemas los encontrará en las secciones posteriores de este documento.
La información tomada durante la fase de detección normalmente es insuficiente para proporcionar no más que un análisis preliminar. Para llevar a cabo un análisis más detallado se requiere de otro tipo de información y se debe tomar una mayor cantidad de datos. En algunos casos la máquina puede necesitar que sea operada bajo diferentes condiciones y con múltiples tecnologías. Tratando de analizar un problema usando sólo la detección de resultados de la información es el análisis menos confiable. Si se toma la suficiente información durante la fase de detección para un análisis más preciso, esto alentará el proceso de detección. Los departamentos más experimentados en confiabilidad reconocen la importancia de separar estos dos pasos.
Confiabilidad Eléctrica:
La mayoría de las personas solo consideran que la confiabilidad eléctrica termina con la entrega exitosa de energía a la planta. La energía eléctrica es una de las materias primas más importantes usada hoy en la industria. No solo se debe tener un flujo continuo de energía, también debe ser limpia y balanceada. Aun así, este importante suministro es también una de las materias primas menos inspeccionadas en la planta.
La electricidad es requerida en casi todas las áreas de la planta para suministrar la fuerza impulsora a casi todos los equipos que fabrican los productos o proveen los servicios a los equipos de la planta para lo que fueron construidos. La electricidad es un producto único que por si mismo requiere de un flujo continuo y no puede ser convenientemente almacenada y normalmente no es inspeccionada antes de su uso.
La calidad en la energía puede se causa de un apagón o falla. El resultado de la mala “calidad de energía” generalmente se ve a largo plazo y no siempre se le considera como la fuente del problema. Un motor se quema o dispara un interruptor, se le realizan inspecciones mecánicas y eléctricas y al variador, entonces el motor es reconstruido o reemplazado y así todo el proceso se repite. Además, los nuevos equipos y máquinas requieren de una mejor calidad de energía. Aún así, si la energía es examinada por completo, debería ser examinada desde el punto de suministro a la planta y no de forma rutinaria. Tampoco es inspeccionada en el punto en donde se suministra al motor o al equipo mismo.
La energía se genera normalmente lejos del punto de uso, la confiabilidad de la generación original es desconocida además de que se combina con el esquema de muchos otros generadores. La energía es transportada a través de varios y diferentes transformadores y por muchos cableados aéreos y subterráneos antes de llegar a la planta. Muchos de estos sistemas de distribución son manejados, administrados y mantenidos por otras entidades. Una vez que la mala o “pobre calidad” de energía se instala en la red, no podrá ser removida o rechazada por el usuario.
Muchas de las plantas generadoras son pequeñas y de propiedad privada. Se está trabajando en tratar de regular y estandarizar la calidad de energía y muchos estados tienen sus propios estándares y regulaciones especializadas (EUA). Sin embargo, la energía generada no necesariamente se detiene en los límites del estado en donde es generada. Incluso si la energía llega a la planta con “buena calidad”, hay muchas áreas dentro del sistema del motor que puede afectar adversamente el éxito continuo en la operación de la planta.
Sistema Eléctrico del Motor:
Más que el motor por sí mismo, se puede afectar la confiabilidad de la planta. De hecho, cualquier cosa dentro del sistema del motor, puede ocasionar una falla en el sistema, lo cual nos puede llevar a la interrupción del proceso. Una detección eficaz mostrará en la pantalla de la máquina problemas potenciales. Es lógico que el método de detección en pantalla muestre la mayor parte del sistema del motor con el menor número de mediciones posible. El método de detección es también usado para identificar la mayor cantidad de fallas posibles. Cuando se selecciona un método efectivo de muestreo en pantalla, es también necesario identificar los problemas que crearon las fallas en el sistema del motor. Una vez que estas interrogantes han sido respondidas, es necesario identificar los posibles métodos disponibles para mostrar en pantalla la mayor cantidad de máquinas en el menor tiempo posible.
El sistema del motor consiste en dos subsistemas: subsistema eléctrico motor/controlador y el subsistema mecánico. El subsistema motor/controlador inicia con la energía entrante a la planta, esto puede incluir transformadores, cableado e interruptores. La energía entrante es entonces suministrada a un Centro de Distribución ó Control de Motores (CCM). El CCM consta de arrancadores, dispositivos de protección, tales como de sobrecarga, VDF y una variedad de otros sistemas que transportan con seguridad la energía al motor para operar de forma exitosa y controlada.
Un motor eléctrico convierte energía eléctrica en torque mecánico, sin embargo, el motor tiene ambos componentes: eléctricos y mecánicos. La porción eléctrica del motor consta de un componente fijo o estator y un componente rotativo o rotor.
Los devanados del estator proveen un camino para el flujo corriente, creando un campo magnético en el estator. El rotor está formado tanto por devanados ó barras y provee un camino para el flujo de corriente a través del rotor, además de crear el campo magnético del rotor. La interacción entre el campo magnético del rotor y el del estator crean el torque mecánico. El subsistema mecánico comienza con la porción mecánica del motor. Esto inicia con la flecha, la cual transfiere el torque generado por la interacción de los campos magnéticos del rotor y estator hacia la máquina impulsada ó la carga. Los rodamientos separan los componentes rotatorios de los no rotatorios, así como la posición del rotor dentro del motor. La flecha del motor está conectada a la carga usando un dispositivo de acoplamiento tal como acoplamiento directo, bandas y poleas o incluso algunas veces engranes.
La máquina impulsada es la porción del sistema que hace el trabajo y hay muchos tipos de máquinas que actúan como carga, tales como bombas, ventiladores, compresores, herramientas de maquinaria, robots, vástagos de las válvulas entre otros muchos dispositivos mecánicos. La porción final del sistema de la máquina es el proceso mismo, la máquina puede dar forma ó cortar material, incrementa la presión, se mueve con el aire u otros tipos de gases, transporta líquidos ó materiales varios. Cuando se selecciona un método de detección es necesario reconocer, tanto como sea posible, la mayor cantidad de componentes en el sistema.
Subsistema Motor/Controlador:
Los tipos de fallas que ocurrirán en el subsistema del motor/controlador son en su mayoría de naturaleza eléctricos.
Los rango de fallas en la energía entrante van desde variación de voltaje, señal no senoidal y desbalance de voltaje. Estas pueden venir directamente del suministrador, cortos en los devanados del transformador ó mala configuración de los taps en los transformadores. La energía no senoidal puede crear secuencias negativas de armónicos dentro del motor, los cuales crean exceso de calor.
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Las fallas en el sistema de control pueden ir desde conexiones sueltas en el bus de barras ó cableado erosionado, corroído ó contactos sueltos, conexiones falsas de fusibles ó relevadores de sobrecarga con falla. Conexiones sueltas y contactores erosionados ó picados crean desbalance de voltaje, un pequeño desbalance de voltaje aplicado al motor puede crear hasta 20 veces más de desbalance de corriente, lo que provoca corrientes circulantes, creando un exceso de calor en el sistema del motor.
Fallas en el sistema del motor pueden dividirse entre fallas eléctricas y mecánicas. A mediados de los 80’s, el Instituto de Investigaciones de Energía Eléctrica reportó que el 53% de las fallas del motor eran de naturaleza mecánica (41% rodamientos, 12% alineación y balanceo) y el 47% eléctricas (37% devanados, 10% rotor), ver fig. 1. De las fallas en devanados el 83% de las fallas son por cortos y solamente el 17% son por fallas de aislamiento a tierra. Las fallas del rotor variarán con el tipo de motor y su construcción. Sin embargo, el motor más común es el de inducción con jaula de ardilla. Las fallas comunes con rotores jaula de ardilla son barras del rotor rotas ó sueltas, rotor no concéntrico ó un rotor térmicamente sensible.
Subsistema Mecánico:
Las fallas mecánicas dentro del motor son básicamente las mismas que cualquier otro equipo rotatorio. Estas fallas pueden incluir desbalance, desalineación, flecha doblada, componentes sueltos ó rodamientos desgastados ó defectuosos. Los motores también están sujetos a fallas como resultado de la distorsión en el campo magnético tanto del estator como del rotor. Estas fallas crean fuerzas mecánicas que interactúan con otras fuerzas mecánicas tales como el desbalance, desalineación, etc.
Dentro del motor, los rodamientos son utilizados para posicionar el rotor y separar los componentes rotatorios de los fijos. Normalmente se utilizan dos tipos de rodamientos, rodamientos de elementos rodantes (rodillos ó bolas) ó cojinetes.
Las fallas en el acoplamiento dependen del tipo de los dispositivos de cople. Existen muchos dispositivos diferentes disponibles para conectar el motor a la carga. Algunos dispositivos conectan directamente el motor a la maquina impulsada y estas máquinas trabajan a la misma velocidad y en la misma dirección. Algunos dispositivos cambian la velocidad ó la dirección ó ambos. Otros dispositivos de acoplamiento son las bandas, poleas y engranajes.
Cualquier tipo de acoplamiento puede tener desbalance, desgaste y maquinaria no alineada u otro ajuste ó fallas de ensamble en sus componentes rotatorios.
Los arreglos de poleas y bandas pueden tener fallas debido a que la polea no está debidamente montada en la flecha, la polea puede estar desgastada ó la banda puede aflojarse, agrietarse ó romperse. Si el dispositivo de acoplamiento es un arreglo de engranes, usualmente se presentan pequeñas fuerzas como resultado de que un diente del engranaje esté desalineado con otro engrane. Además las fallas ocurren si uno ó el otro engranaje se ha gastado. Los engranajes también están sujetos al desgaste, agrietamiento ó a roturas de dientes.
La máquina impulsada ó carga puede también tener diferentes niveles de desbalance, desalineación ó desgaste que pueden crean fuerzas rotatorias. Las máquinas centrífugas, tales como los ventiladores de las bombas e incluso los compresores, crean fuerzas hidráulicas que interactúan entre las partes rotativas y estáticas de la máquina. Estas fuerzas causan movimiento cada vez que las paletas del impulsor ó aspas pasan a un componente fijo, tal como el “corte de agua” en una bomba.
El proceso por sí mismo puede crear fuerzas mecánicas actuando dentro del sistema mecánico del motor/máquina. Algunas de estas fuerzas son el resultado de la operación de la máquina. Las máquinas tales como las ponchadoras y de estampado, crean fuerzas durante la operación normal. Los procesos tales como la cavitación y recirculación, pueden crear fuerzas hidráulicas en el flujo del sistema. Adicionalmente cambios en el proceso, tal como cambio de la carga puede variar la temperatura de operación de la máquina y la presión, causando cambios en la alineación como resultado del crecimiento térmico diferencial de las respectivas máquinas.
Vibración Mecánica
Las Mediciones de Vibración Mecánica usan transductores para medir el movimiento mecánico del componente ó de la parte mecánica que está vibrando. Los transductores convierten este movimiento mecánico en una señal eléctrica. Ya sea que el transductor sea montado directamente en el componente que está en movimiento ó puede ser montado en el rodamiento u otra estructura de soporte. Estos sensores miden el movimiento mecánico de los componentes en observación, que pueden ser: el alojamiento del rodamiento ó la flecha misma.
Conforme el movimiento del componente va hacia el sensor, este genera un voltaje de salida positivo, cuando el componente se separa del sensor, se genera un voltaje de salida negativo. Esto permite que el sensor produzca una señal eléctrica de salida que duplicará el movimiento del componente. La cantidad de voltaje representa la cantidad de movimiento.
La Segunda Ley de Newton de movimiento indica que: F=ma. Esto se traduce en el hecho de que la cantidad de movimiento representa la cantidad de la fuerza que está siendo aplicada al componente. Lo que significa es que en máquinas muy grandes se requerirá de una falla muy grande para mover la masa a una cantidad medible. Adicionalmente el tipo de sensor utilizado para hacer esta medición puede afectar la salida del mismo.
Mediciones de vibración.
Hay dos tipos de medición de vibración: de movimiento relativo y absoluto.
Movimiento Relativo:
La primera es una medición relativa, la cual relaciona el movimiento del componente medido con otro componente. La más común de estas mediciones, es la medición de movimiento de la flecha cuando incide en la operación del rodamiento. Esta medición generalmente utiliza puntas de eddy de no contacto, un sensor, el cual se monta ya sea hacia ó a través del rodamiento. Estas mediciones han probado ser efectivas para identificar la trayectoria en que la flecha se está moviendo dentro del rodamiento y la cantidad de movimiento. Estas mediciones son de desplazamiento, ya sea en miles (0.001 pulgadas) ó micrones (0.000001 m).
La principal ventaja de este tipo de sensores, es la facilidad de comparar la medición de movimiento con el espacio de la pista interna del rodamiento. Una desventaja, es que si el componente en el cual está montado el sensor está en movimiento, entonces la medición real de la fuerza aplicada a la flecha no puede ser determinada. Una segunda desventaja es que el desplazamiento a altas frecuencias puede ser muy pequeño y aún así tener un desplazamiento grande. Consecuentemente las fallas a altas frecuencias se pueden perder dentro del ruido de las señales de medición.
