Se realizó una inspección del ventilador, base y cimentación, así como la captura de datos de vibraciones para un modelo de forma operativa de la deflexión (ODS, por sus siglas en inglés). Los resultados de la prueba indicaban resonancia del pedestal y marco estructural del ventilador causado por pernos de anclaje insuficientes además de deterioro en la lechada. Se redujo la vibración hasta en 85% con la instalación de elementos estructurales y pernos de anclaje adicionales, así como reparaciones en la lechada. Este artículo describe el proceso de análisis, hallazgos y modificaciones.

 Antecedentes

El ventilador era un AMCA Arreglo #9, ver Figuras 1 y 2. El ventilador y motor estaban montados en un marco estructural acanalado de 6 pulgadas que estaba fraguado con lechada a base de cemento y anclado con pernos a una base de concreto. Eran preocupantes los niveles de vibración en las carcasas del rodamiento del ventilador, especialmente en la dirección axial. Los niveles de vibración axial eran elevados, pero levemente distintos en cada rodamiento. Ambas lecturas axiales estaba dentro de fase a velocidad de marcha según determinaciones de las lecturas de fase a través entre los canales. Este patrón de vibración no es típico para una transmisión por medio de correas (bandas, fajas). La mayor parte de la vibración era a la frecuencia rotacional del eje del ventilador. Se expresó alguna preocupación por la posible carga de empuje generada por el ventilador y el potencial efecto de una reducción de la vida del rodamiento.

Figura 1

Figura 2

Inspección y Captura de Datos

 El abordaje típico al investigar vibraciones elevadas de una máquina o estructura es:

1. Realizar una inspección visual de la cimentación, marco estructural o placas de la máquina, la máquina misma, tubería conectada, ductos, etc.;
2. De estar disponibles, revisar las condiciones del proceso;
3. Revisar las curvas y el punto de operación del ventilador, en caso de estar disponibles. NOTA: Para esta unidad en particular, no estaban fácilmente disponibles las curvas y el punto de operación del ventilador.

 La inspección inicial del ventilador identificó movimiento entre el marco estructural del ventilador y la base de concreto. No se encontraron pernos de anclaje sueltos. Puesto que la base del ventilador era relativamente alta, tendría la tendencia de responder más a las fuerzas generadas por un desequilibrio de la rueda del ventilador que estaba colgada, desfasamiento de las poleas y vibración de la correa (banda, faja). Estas cargas cíclicas serían transferidas desde los rodamientos y las carcasas del rodamiento a la placa de soporte del rodamiento, del pedestal del ventilador al marco estructural y después a los pernos de anclaje en el concreto. Era importante tener una conexión segura del marco estructural al concreto y placa soporte del marco estructural en el fraguado para evitar una flexión excesiva del marco estructural. Como se muestra en la fotografía compuesta de la Figura 3, había únicamente dos pernos de anclaje sujetando el marco estructural al concreto en la proximidad de la base del ventilador. Se pudo apreciar que los pernos de anclaje no estaban colocados con la necesaria proximidad a la base del ventilador para contener de manera eficiente el marco estructural y evitar la flexión.

Figura 3

Después de la inspección visual, se midieron los datos de vibración en las carcasas del rodamiento del motor, las carcasas de rodamiento del ventilador y el marco estructural. No se apreciaron frecuencias de defecto del rodamiento y la vibración de las correas era de muy baja amplitud. La frecuencia primaria de la vibración era la velocidad de marcha del ventilador como lo muestran los datos de la Figura 4. La tendencia de los niveles generales de vibración mostraron grandes variaciones en la amplitud, con una excursión alcanzando los 0.975 pulg/seg pico (ver gráfica de la tendencia en la Figura 4). La forma de onda en el tiempo mostraba movimiento sinusoidal. Se llegó a la conclusión de que la fuente más probable de la fuerza de la vibración era el desequilibrio del ventilador. No obstante, la relativa flexibilidad del marco estructural, la falta de un número adecuado de pernos de anclaje y el deterioro en la lechada de la cimentación permitiría una respuesta significativa en la vibración de la base del ventilador y el marco estructural de soporte inclusive a niveles reducidos de fuerzas de desequilibrio.

Figura 4

 Un modelo ODS mostraría claramente el movimiento de los componentes de la máquina y también la flexión anticipada del marco estructural y el movimiento relativo del marco con relación al concreto. El movimiento de las carcasas del rodamiento o la flexión en la placa de soporte de rodamiento, si lo hubiera, sería desplegado en las animaciones del ODS. Se midieron los datos del modelo ODS en el motor, marco estructural, carcasas de rodamiento y base del ventilador. El modelo tridimensional, mostrado en la Figura 5, fue desarrollado en ME’scopeVES. Se utilizaron subestructuras para el motor, carcasas del rodamiento, placa base y pedestal, estructura acanalada y concreto para desarrollar el modelo. Entonces se midieron los datos de transmisión entre canales utilizando un lector CSI 2120 de dos canales en cada grado de libertad (DOF) y luego se importaron a ME’scopeVES.

Figura 5 

Hallazgos

• Los datos de vibraciones en las carcasas de rodamiento del ventilador indicaban que la mayoría de la vibración estaba ocurriendo a 1X la frecuencia rotacional del ventilador en la dirección axial.
• Una suerte de burbuja de energía en la base de la frecuencia de velocidad de marcha en el espectro sugería una resonancia estructural.
• El modelo ODS mostró que el movimiento de vibración del pedestal del rodamiento del ventilador y la base estaba meciéndose en las direcciones axial y vertical, Figuras 6 y 7.
• El marco acanalado en el extremo de polea de la base del ventilador estaba suelto en la lechada y flexionándose verticalmente.
• Únicamente se instalaron tres pernos de anclaje en el miembro lateral del riel del marco acanalado. Había dos pernos de anclaje cercanos a la base del ventilador en el lado de la correa según se aprecia en la Figura 3.
• No se indicaba en las animaciones ODS ninguna soltura de las carcasas del rodamiento del ventilador a la placa base o flexión de la placa de soporte del rodamiento.

Figura 6

Figura 7

Recomendaciones

Se le hicieron las siguientes recomendaciones a la dirección para corregir los problemas identificados: 

1. Durante el siguiente paro del ventilador, capturar niveles de vibración a 1X y datos de fase durante la desaceleración en ambas carcasas del rodamiento del ventilador en la dirección es axial, horizontal y vertical. Analizar estos datos para indicaciones de resonancia.
2. Después del paro, realizar pruebas de impacto en las carcasas de rodamiento del ventilador en las direcciones axial, radial y vertical y analizar estos datos en busca de indicaciones de resonancia próximas a la velocidad de operación.
3. Revisar datos históricos del proceso para temperatura del gas del ventilador y ajustes de las entradas de las guías de alabes, en caso de estar disponibles, para determinar si los niveles de vibración está relacionados con cambios en la densidad del gas o tasa de flujo.
4. Desprender la lechada de debajo del marco acanalado en el extremo polea de la base del ventilador.
5. Reemplazar cualquier calza de acero al carbón encontrada entre la base de concreto y el marco acanalado con calzas de acero inoxidable.
6. Instalar pernos adicionales de anclaje para asegurar la base del ventilador y el marco acanalado al concreto. Un método emplearía los pernos de anclaje adhesivos de dos componentes marca Hilti (o similares) en el concreto. Los pernos de anclaje deben apretarse para firmemente asegurar la base del ventilador y el marco acanalado a las calzas y la base de concreto, y luego reemplazar el fraguado a base de cemento. Debe tenerse cuidado de evitar cambiar la posición del acanalado, lo cual podría cambiar la alineación del eje del ventilador al sello mecánico de aire.

Seguimiento

Durante el paro del ventilador, se capturaron datos de vibración utilizando el analizador CSI 2120 de dos canales. La velocidad normal del ventilador eran 2247 RPM. En la Figura 8 se muestra gráfica de amplitud y retraso de fase vs. RPM. La rápida reducción en la vibración y el cambio en el ángulo del retraso de fase para el rango de velocidad de 2247 a 1900 RPM confirmaban la presencia de una resonancia estructural.

Figura 8

Se soldaron miembros estructurales fabricados al marco estructural del ventilador y se instalaron pernos de anclaje adicionales en el concreto. Se utilizaron calzas de acero inoxidable y lechada como se muestran en las Figuras 9-12.

Después de las modificaciones, la vibración axial en el rodamiento interior del ventilador se redujo en un 85%. Como se muestra en la Figura 13, la vibración había permanecido baja por más de dos años.

Figura 9

Figura 10

Figura 11

Figura 12

Figura 13

Conclusiones

• La instalación del ventilador sobre el concreto probablemente se hizo conforme a las pautas originales del fabricante (OEM), pero no había la cantidad adecuada de pernos de anclaje.
• El modelo ODS fue de utilidad para mostrar cómo se estaba moviendo la base del ventilador y el marco estructural y comunicaba el problema con claridad a la dirección. El ODS indicaba también que no estaban en flexión la placa de soporte del rodamiento y el pedestal.
• Las reparaciones fueron efectivas al asegurar con mayor firmeza del marco estructural del ventilador a la plancha de concreto según lo evidencia la dramática reducción en la amplitud de la vibración.
• El ventilador ha continuado en servicio por más de dos años después de las reparaciones con niveles estables de vibración.

Ken Singleton es gerente de KSC Consulting LLC con más de 45 años de experiencia industrial y está certificado como Analista de Vibraciones Categoría IV. Se jubiló de la empresa Eastman Chemical Company en 1999 como Técnico Senior de Ingeniería en el grupo de Tecnología de Maquinaria Rotativa después de más de 32 años de servicio.www.vibrationconsulting.com

Bob Bracher era Analista Senior de Vibraciones en la empresa Wellman Palmetto Plant, en Darlington, South Carolina. Bracher tiene más de 41 años de experiencia industrial y es un Analista Certificado de Vibraciones Nivel III. Actualmente proporciona soporte técnico para ATK en la Planta de Municiones del Ejército localizada en Radford, VA. www.ATK.com