El presente trabajo, tiene como finalidad revisar los principales beneficios económicos obtenidos, a través del correcto alineamiento de la maquinaria rotativa, tales como: la disminución de consumo de energía, disminución de consumo de refacciones para mantenimiento preventivo, reducción de tiempos muertos, así como la optimización en costos de mano de obra.

INTRODUCCION

Como definición de Alineamiento de Maquinaria podemos mencionar lo siguiente: los ejes de rotación de las máquinas se deben encontrar colineales (un eje de rotación es la proyección del otro), y lo anterior se considera bajo condiciones de operación o de trabajo normales (entiéndase, temperatura, carga y velocidad).

Debido al impacto que tiene el “alineamiento” correcto entre flechas o más comúnmente hablamos del “desalineamiento”, en la vida útil, consumo de energía, consumo de refacciones y afectación a la operación de las plantas, harem las siguientes consideraciones al respecto.

LA DETECCION DEL PROBLEMA Y LAS DIFICULTADES PARA SU CORRECION

En diversos estudios realizados por usuarios y fabricantes de maquinaria rotativa acoplada por flechas, se ha demostrado que, ,el desalineamiento es la principal causa, de por lo menos el 50% de las fallas en maquinaria rotativa (fig. 1).

El desalineamiento no es fácil de detectar en la maquinaria que está en operación. Las fuerzas radiales transmitidas de una flecha a la otra son difíciles de medir externamente. No existe instrumentación que pueda ser utilizada para medir directamente la magnitud de las fuerzas aplicadas a los rodamientos, flechas, sellos y coples. Generalmente, lo que observamos son algunas consecuencias que se relacionan desalineamiento de las flechas, y que resultan en algunos efectos que observamos a través de:

• Disminución de vida útil de rodamientos, sellos, flechas y coples
• Incremento de temperatura de carcasa
• Incremento de la vibración axial y radial en la máquina
• Fugas de aceite, grasa y otros fluidos en los sellos
• Ruptura de apoyos de las máquinas
• Daño en cimentaciones y bases
• Daño o aflojamiento de tornillos de fijación
• Deformación de carcasas
• Incremento en el consumo de energía eléctrica

Sin embargo, a pesar de conocerse que el desalineamiento es la mayor causa de la falla en la maquinaria, y por consiguiente grandes pérdidas de producción, tiempos muertos, entre otros problemas, en la actualidad se hace muy poco para resolver este problema. Como mencionamos, el grado de desalineamiento ha sido difícil de determinar en operación, asi como los procedimientos correctivos son inadecuados, complicados y por lo general consumen mucho tiempo. En la actualidad, se utiliza el análisis de vibraciones para detectar el desalineamiento con la máquina en operación, aunque como se mencionó, los valores medidos no son directamente proporcionales a las fuerzas a las que los rodamientos se encuentran sometidos. Por otra parte, para la correción del alineamiento, los métodos antiguos y más utilizados han sido tradicionalmente la regleta o los indicadores de carátula.

Sin embargo, a pesar de conocerse que el desalineamiento es la mayor causa de la falla en la maquinaria, y por consiguiente grandes pérdidas de producción, tiempos muertos, entre otros problemas, en la actualidad se hace muy poco para resolver este problema. Como mencionamos, el grado de desalineamiento ha sido difícil de determinar en operación, asi como los procedimientos correctivos son inadecuados, complicados y por lo general consumen mucho tiempo. En la actualidad, se utiliza el análisis de vibraciones para detectar el desalineamiento con la máquina en operación, aunque como se mencionó, los valores medidos no son directamente proporcionales a las fuerzas a las que los rodamientos se encuentran sometidos. Por otra parte, para la correción del alineamiento, los métodos antiguos y más utilizados han sido tradicionalmente la regleta o los indicadores de carátula.

En la actualidad, los sistemas con laser óptico ha demostrado ser un método más fácil, rápido y más preciso. Referente a la detección del desalineamiento, el análisis de vibraciones espectral (FFT) ofrece un diagnóstico detallado de la maquinaria rotativa, pero, no es posible detectar rápidamente y fácilmente, así como evaluar la severidad del problema sin adquirir una gran cantidad de mediciones en cada máquina. Requiere generalemente de personal calificado y algunos instrumentos no son fáciles de operar.

Los valores 1x y 2x de la frecuencia rotacional no son directamente proporcionales a los desplazamientos (offset) en el cople, y por el contrario, en realidad, nos indican la capacidad del sistema de acomodarse al desalineamiento (fig 2).

La velocidad, el torque y la condición del cople también afectan los niveles de la señal de vibración. Entonces, el uso del análisis de vibraciones para detectar y cuantificar el grado de desalineamiento es cuestionable y muy costoso. Esta es una de las razones por las que muchos departamentos de mantenimiento han desechado la idea de introducir programas basados en análisis de vibraciones.

Otro inconveniente para la corrección del alineamiento de una manera sistemática, es que la determinación precisa y regular del desalineamiento de flechas usando indicadores de carátula requiere un un grupo de técnicos de mantenimiento bien motivados y experimentados. Sin embargo, el mayor obstáculo para implementar un programa de correcciones basado en mediciones con indicador de carátulas es, que no existe un método rápido y fácil o para realizar los ajustes en la máquina con indicadores de carátula (fig. 3). Las sistemas de montaje o fijación de los indicadores, generalmente son de fabricación costosa y muchos casos, son específicos para cada tipo de máquina. Además, los métodos de medición utilizados comúnmente; el de las mediciones inversas, medición en cara/borde, cara/cara y los posteriores cálculos requeridos para determinar las posiciones de las máquinas son complicados. Estos tres puntos anteriores hacen que las mediciones con indicadores de carátula sean muy susceptibles a errores.

Cuando los indicadores de carátula son usados apropiadamente, pueden producir excelentes resultados, con una precisión de alineamiento en los coples de hasta 1/100 mm. Desafortunadamente, esos casos son raros, debido a la falta de conocimiento acerca de las limitaciones de estas técnicas. En muchas plantas no se realiza ninguna medición periódica del desalineamiento. Simplemente se utiliza una regleta para determinar el offset de una máquina respecto a la otra, en el cople. Debido a que la resolución del ojo humano está limitada a 1/10 mm, este método completamente insuficiente para lograr un correcto alineamiento.

Un estudio realizado en Escandinavia, donde se uso una muestra de 160 máquinas de una planta industrial, arrojo como resultado que menos de 7% de los trenes de máquinas se encontraban dentro de las tolerancias proporcionadas por el fabricante de la maquinaria. Esto es una prueba más de que los métodos tradicionales para detectar y corregir el desalineamiento usados (si es el caso), son totalmente inadecuados.

Con el arribo de los sistemas de alineamiento con rayo laser óptico en los años ochenta, se ha brindado la oportunidad a los técnicos de mantenimiento, de alinear los coples más rápido, más fácilmente y con mayor precisión.

De acuerdo al progreso de esta tecnología, la capacidad para hacer frente al problema operativo del desalineamiento se ha incrementado dramáticamente. Como resultado directo de aplicar esta tecnología, algunos aspectos importantes emergido o surgido respecto a la  maquinaria rotativa; la eficiencia energética de la maquinaria, la confiabilidad de operación y vida de operación total o vida útil.

FACTORES QUE AFECTAN EL CORRECTO ALINEAMIENTO

Es conveniente que mencionemos algunos de los factores relacionados con montaje y movimiento de la máquina, que afectan directamente los resultados finales del trabajo de alineamiento, tanto en tiempo, como en calidad:

1. Pie cojo. También llamado en inglés, soft foot. Se presenta cuando alguno de los apoyos de la máquina no se encuentra en el mismo plano de los otros. Ser puede deber a defectos de la cimentación, de la base, deformaciones térmicas, mal acabado o maquinado. El pie cojo, es entonces, un problema de montaje de la máquina y si no es verificado y corregido antes de realizar el trabajo de alineamiento, afecta a los resultados finales, prolongando el tiempo de alineamiento, si no es que lo hace imposible.

2. Crecimiento térmico. Se debe a los cambios de temperatura de las máquinas al alcanzar sus condiciones de operación permanentes. Si no se conocen los valores de cambio dimensional en los planos “vertical” y “horizontal” , para cada uno de los apoyos del tren de máquinas, el resultado final del trabajo de alineamiento será pobre, yá que las máquinas al ser alineadas en “frio” y su operación en “caliente” será distinta. Sus flechas o ejes de rotación no serán co-lineales.

3. Falta de herramientas adecuadas para el movimiento de las máquinas. La colocación de tornillos de movimiento en cada apoyo de la máquina, así como utilización de lainas pre-cortadas y calibradas, fabricadas con materiales estables a compresión.

REDUCCION DE PERDIDA DE ENERGIA

Haciendo referencia a un estudio realizado por la empresa ICI Chemicals en Inglaterra, donde se ha logró establecer la relación directa entre el alineamiento de cople/flecha y su consumo de energía. Como ejemplo, en el estudio de una bomba de 3600 rpm, se introdujeron valores conocidos de desalineamiento horizontal angular y desplazamiento (también llamado offset) y simultaneamente, se midió el consumo de corriente eléctrica para cada condición de desalineamiento definida para la prueba. Durante el estudio fueron usados diversos tipor de coples flexibles de tipo “llanta”, y coples con pernos o tornillos de fijación entre “mamelones”. Se detectaron considerables incrementos de consumo de energía en relación a pequeños cambios en el desalineamiento en el cople (offset y angularidad).

Los resultados finales del estudio indicaron lo siguiente:

1. Se pueden alcanzar grandes ahorros en el consumo de energía eléctrica a través de un correcto alineamiento.

2. El desalineamiento por desplazamiento entre flechas (offset o algunos incorrectamente lo conocen como paralelo) impacta más en el consumo de energía que el desalineamiento angular.

3. El desalineamiento angular afecta más a los coples con pernos de fijación entre “mamelones” que a los flexibles tipo “llanta”

4. Los efectos de los componentes del desalineamiento, el desplazamiento (offset) y hueco al borde de las caras del cople (también llamado gap) en vertical y horizontal) son adicionados entre sí, así como el consumo total de energía.

5. El estudio recomienda que las máquinas deben ser alineadas con un offset máximo de 12/100 mm y máxima angularidad de 5/100 mm por 100mm para limitar las pérdidas de energía a menos de 1%.

Este experimento realizado en ICI, coincide con estudios teóricos en relación al consumo de potencia1 y permite hacer ciertas estimaciones de los ahorros de energía alcanzables a través de contar y aplicar un buen programa de corrección de desalineamiento. En esta planta ICI, fabricante a gran escala de químicos, el consumo total anual de energía es de aproximadamente 80 MW y el alineamiento afecta en aproximadamente 50 MW.

Mejorando el alineamiento en algunas centésimas de milímetro, lo que es fácilmente alcanzable con los modernos sistemas de alineamiento con rayo laser, se pueden obtener ahorros de energía de hasta un 0.7%.

En términos financieros, esto significa (suponiendo que el costo de la energía es de $ 0.08 USD por kWh promedio):

Pérdida total de energía = 50,000 kW x 0.7% = 350 kW

Costo de energía perdida = 350 Kw x $ .08/kWh = $ 28.00 USD. por hr

Ahorros anualizados = $ 28.00 x 24 x 365 = $ 245,280.00 USD

Este cálculo, desde luego, depende de los costos actualizados según las tarífas aplicadas por sector de la energía eléctrica, las horas de operación de la planta, diseño de la maquinaria y equipos y la precisión del alineamiento. Otras grandes empresas de clase mundial, han hecho estudios similares y se han alcanzado o demostrado beneficios similares a los presentados. Si le parece poco el ahorro, haga el ejercicio con los datos reales de su empresa.

REDUCCION DEL TIEMPO DEL TRABAJO DE ALINEAMIENTO

A pesar que $ 245,000 USD es una gran cantidad de dinero, como para desperdicio, no representa un alto porcentaje de los costos totales de operación de la citada planta química. Otros ahorros pueden ser alcanzados simplemente por la reducción del tiempo que se utiliza en el trabajo de alineamiento e incrementando el número total de trabajos de alineamiento.

Otro ejemplo, es el proporcionado por la empresa Eastman Chemical en los Estados Unidos, introdujo el método de trabajo de alineamiento con rayo laser óptico en sus instalaciones de Tennessee a principios de la dácada de los 90´s como alternativa al uso de los métodos tradicionales de indicadores de carátula. A partir del año 1994, el número de trabajos de alineamiento fueron de casi 3000 por año, sustituyendo al alineamiento con indicadores de carátula y resultando en ahorros de mano de obra de cerca de $ 400,000 USD.

Una tercera fuente de ahorros y argumento de peso para implementar un programa de alineamiento de maquinaria, es el incremento del tiempo promedio entre fallas (MTBF por sus siglas en inglés - mean time between failures)

MAXIMIZANDO EL TIEMPO ENTRE FALLAS (MTBF)

Al maximizar el MTBF de toda la maquinaria de la planta, serán alcanzados otros grandes ahorros, y estos también serán adicionados a los mencionados anteriormente. El MTBF actual es típicamente mucho menor que el especificado por los fabricantes de la maquinaria (si es que acaso, se indica alguno), simplemente porque el equipo esta operando por debajo de sus condiciones ideales (trabajan por encima de las cargas especificadas, usando; rodamientos, sellos y otros componentes distintos a los originalmente especificados, desalineamientos pronunciados, desbalanceos, entre otros problemas).

Los ahorros potenciales pueden ser ilustrados con ejemplo:

Tamaño de la planta: 50MW

Número de máquinas: 2,000 (generalmente motor-bomba, motorventilador, con potencias entre 15 HP y 75 HP)

Costo de reparación: $ 2,000.00 promedio por reparación de máquina (incluye el costo de mano de obra, refacciones, o el reemplazo de la máquina

• Tiempo actual MTBF: 9 meses promedio
• MTBF deseado: 12 meses
• Costos actuales: = 2,000 x $ 2,000 x 12/9 = $ 5.3 millones
• Costos proyectados: = 2,000 x $ 2,000 x 12/12 = $ 4.0 millones
• Ahorros proyectados: = $ 1,300,000 USD por año

Podemos decir que, para alcanzar tales ahorros, se debe comenzar o incluir un programa estructurado de alineamiento de maquinaria, como parte de los procedimientos de producción y mantenimiento.

AFECTACION A LA ESPERANZA DE VIDA DE LOS RODAMIENTOS

Como se podrá ver, según la formula planteda por Ludberg y Palmgren en los años 40´s para el cálculo del probable desgaste y fatiga rodamientos:

L10 = 16700/rpm x [(capacidad dinámica x carga) /fuerza]3 = horas de vida

Para rodamientos de bolas: L10 = (C/P)3 x 106

Para rodamientos de rodillos: L10 = (C/P)10/3 x 106

donde:

L10 representa el “rating” de fatiga con una confiabilidad del 90%
C es la carga dinámica rating. La carga que dará una vida de 1 millón de revoluciones. Valor que es proporcionado por los catálogos de fabricantes de rodamientos.
P es la carga dinámica equivalente aplicada al rodamiento

La formula nos indica que, de acuerdo al incremento de la fuerza aplicada al rodamiento, la expectativa o esperanza de vida del rodamiento se reduce al cubo de este cambio. Como ejemplo, si la fuerza resultante por un desalineamiento se incrementa por un factor de tres, la esperanza de vida se reduce 27 veces. De este ejemplo, se concluye el impacto tan drástico que tiene el desalineamiento en la vida útil de los rodamientos.

Ejemplo de un caso exitoso: el Caso John Deere, planta Torreón:

Se cuenta con 9 estaciones de prueba de torque de los motores diesel de fabricación en la planta de Torreón, Coah.

- Total de Máquinas: 9

- Frecuencia de alineamiento antes del implementar un programa de alineamiento: 1 cambio de rodamientos y alineamiento cada 2 meses

- Costo aproximado de cada reparación: 2,000 USD (sin considerar pérdidas por el tiempo muerto ocasionado por la reparación)

- Frecuencia extendida de alineamiento después de implementar el programa de alineamiento: 9 meses

- Costo de cada reparación: 2,000 USD.

Cálculo de Costos anualizados en el area de probadoras de torque antes de la implantación del programa de verificación sistematizada de alineamiento:

9 máquinas x 12/2 meses x 2,000.00 USD = $ 108,000 USD

Costos anualizados actuales después de implementado el programa de alineamiento:

9 máquinas x 12/9 meses x 2,000.00 USD = 24,000 USD

Ahorros alcanzados en el primer año:

$ 108,000 - 24,000 USD = $ 84,000 USD

Costo de la inversión en capacitación, compra de equipo de laser óptico: aprox. $ 20,000.00 USD

Retorno de Inversión (ROI) para el primer año:

Retorno de inversión (ROI): $ Ahorros – $ Inversión / $ Inversión = ($108,000 – $20,000)/ $ 20,000 = 4.4 veces

ROI para el segundo año y subsecuentes, suponiendo un costo de re-entrenamiento y compra de accesorios, consumibles, etc. de $ 4,000 USD.

ROI: ($108,000 – $4,000) / 4,000 = 30.3 veces.

Cálculo del Tiempo de Recuperación de la Inversión (Payback) para el primer año:

Payback = $ Inversión / $ Ahorros x 12 = ($ 20,000 / $ 108,000) x 12 = 2.2 meses

LOS SISTEMAS DE ALINEAMIENTO CON RAYO LASER OPTICO

De manera similar a los indicadores de carátula montados radialmente que permiten determinar el desalineamiento a través de la medición de las diferencias en el offset de las flechas en determinada distancia de separación, los sistemas de laser óptico miden el desplazamiento radial en relación a una distancia axial conocida. Usando brackets de fijación multipropósito, un emisor laser de baja potencia es fijado a una de las flechas y la unidad receptora es montada en la otra flecha (fig. 7). Ambas flechas podrán estar acopladas o desacopladas.

El haz de laser brillante y visible viaja a lo largo de las flechas, pasando cerca del cople y llegando al receptor, donde es recibido o detectado por múltiples detectores linealizados.

Aquí es donde el proceso de medición comienza; según se giran las flechas de forma continua o en varias posiciones, cualquier desalineamiento causa que el haz del rayo laser, cambie su posición, respecto al punto de incidencia dentro del sistema detector.

La computadora utiliza la medición del desplazamiento de este haz de luz, en relación a la distancia entre el centro del cople al receptor para calcular la condición del alineamiento, que podrá ser expresada en cualquier posición (p.e. en el cople o en alguno de los apoyos de la máquina). El mismo principio es aplicado para seguir los movimientos “en vivo” en la pantalla de la computadora durante el proceso de corrección (p.e. durante el proceso de calzado y ajustes horizontales).

LAS VENTAJAS DEL AHORRO DE TIEMPO

Un arreglo detector pentaxial (5 ejes de medición; angularidad y offset vertical, angularidad y offset horizontal, además de la posición angular de los sensores) ofrece una serie de ventajas prácticas para el usuario; también hace posible seleccionar diferentes métodos de medición según la situación. Por ejemplo, para máquinas desacopladas, estas podrán ser fácilmente medidas y sin pérdida de presición gracias a la función correspondiente que elimina los efectos del juego torsional. Las flechas pueden ser normalmente alineadas con una rotación mínima de 75º, siguiendo los registros continuos indicados en la computadora, a la par del giro de las flechas en cualquier dirección y comenzando desde cualquier posición angular (función del inclinómetro electrónico integrado a las cabezas).

CONCLUSIONES.

1. Actualmente, el alineamiento de maquinaria es realizado, en el mejor de los casos de manera irregular, y en el peor de los casos, ni se lleva a cabo en muchas plantas.

2. Los métodos actuales para corregir el desalineamiento, son inadecuados y poco confiables debido a su complejidad, falta de personal entrenado, poca atención por parte de la dirección de planta o gerencia de mantenimiento.

3. Un programa planeado de corrección del desalineamiento, preferentemente usando tecnología asistida con rayo laser óptico, puede generar ahorros considerables debido a:

• Reducción de consumo de energía

• Ejecución de los trabajos de alineamiento más rápidos y de mayor calidad

4. Incremento en el tiempo medio entre fallas (MTBF) en componentes tales como rodamientos, coples, flechas y sellos.

Referencias.

1 Xu, M., J.Zatelazo y R.D. Marangoni, Reducing Power Loss through Shaft Alignment” P/PM Technology, Octubre 1993.

2 Mitchell, John, Introduction to Machinery Analysis and Monitoring

3 Pietrowski, John. Shaft Alignment.Handbook

4 Edward Dainhith, Paul Glatt, Pruftechnik AG.Reduce Cost with laser alignment, Hidrocarbon Processing, Agosto 1996

5 Láminas de Curso Entrenamiento Pruftechnik AG, Ismaning, Alemania

El autor:

Ricardo Santamaría Holek Es Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México, ha trabajado durante quince años en el ramo del mantenimiento predictivo, desarrollando programas de entrenamiento, impartiendo cursos en México y Latinoamérica. Ha participado en diversos foros relacionados con confiabilidad y mantenimiento predictivo. Cuenta con Niveles I y II certificados en Análisis de Vibraciones, Termografía Infrarroja y Ultrasonido. Actualmente es Gerente General de la empresa Tecnología Avanzada para Mantenimiento S.A.de C.V. localizada en la Cd. de Querétaro, Querétaro, México.