1

Ingeniería Mecatrónica

Sistemas Mecánicos

Introducción a las vibraciones

Docente: Ing. Carlos Manuel González De La Rosa

Alumno: Cesar Alberto Flores Martínez

Matricula: 095766

Torreón, Coahuila a 11 de Julio de 2012

2

Índice

1. Introducción a la vibración 5

1.1 Osciladores 5

1.2 Frecuencia 6

1.3 Amplitud 6

1.4 Osciladores Amortiguados 7

1.5 Osciladores Forzados 7

1.6 Frecuencia Natural 7

1.7 Resonancia

1.8 Grados de libertad 8

1.9. Principales causas de la vibración 9

1.91Metodos de medición 9

1.92 Espectro 9

2.- Problemas causados por la vibración 9

2.1.- Resonancia 9

2.2.- Aflojamientos mecánicos 9

2.3.- Desgaste 10

2.4.- Ruido 10

2.5.- Problemas eléctricos 10

2.6.- Turbulencia 10

3

3. Alineación paralela y angular 10

3.1 Soft foot 12

3.2 Métodos de alineación (Regla, Caratula, Equipo de alineación eléctrico). 13

4.- Balanceo 13

4.1 Desbalance estático 13

4.2.- Desbalance dinámico 14

4.3 Desbalance Mecánico y Eléctrico 14

4

Índice de Figuras

Figura 1 Oscilación 5

Figura 2 Oscilador 5

Figura 3 Frecuencias 6

Figura 4 Amplitud 6

Figura 5 Onda Amortiguada 7

Figura 6 Resonancia 8

Figura 7 Grados de libertad 8

Figura 8 Desalineación Paralela 11

Figura 9 Desalineación Angular 11

Figura 10 Alineación Correcta 11

Figura 11 Ejemplo sobrecalentamiento 12

Figura 12 Softfoot 12

Figura 13 Métodos de alineación 13

Figura 14 Desbalance Estatico 13

Figura 15 Desbalance Dinamico 14

5

1. Introducción a la Vibración

En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el

movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición

de equilibrio es la a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero.

1.1 Osciladores

Se denomina oscilación a una variación, perturbación o fluctuación en el tiempo de un

medio o sistema. Si el fenómeno se repite, se habla de oscilación periódica.

Figura 1 Oscilacion

Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o

cambios periódicos (Oscilaciones) en un medio.

Figura 2 Oscilador LC

6

1.2 Frecuencia

Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de

cualquier fenómeno o suceso periódico. La unidad de medida son los Hertz (Hz) y la formula más

común para calcular la frecuencia es:

Figura 3 Frecuencias

1.3 Amplitud

Distancia o valor máximo de una cantidad variable, de su valor medio o valor base, o la

mitad del valor máximo pico a pico de una función periódica, como un movimiento

armónico simple.

Figura 4 Amplitud

7

1.4 Oscilación Amortiguada

Una oscilación amortiguada es aquella donde la amplitud de oscilación se va reduciendo

con respecto al tiempo.

Figura 5 Onda Amortiguada

1.5 Oscilación Forzada

Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante sobre un sistema oscilador. En esos casos puede hacerse que el sistema oscile en la frecuencia del generador, y no en su frecuencia natural. Es decir, la frecuencia de oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica.

1.6 Frecuencia natural

La frecuencia natural es la frecuencia a la que un sistema mecánico seguirá vibrando, después que se quita la señal de excitación; por ejemplo algún choque con un objeto.

1.7 Resonancia

En el caso de una oscilación forzada, si la frecuencia del generador coincide con la frecuencia natural del resonador, se dice que el sistema está en resonancia. Esto puede ocasionar grandes problemas en el sistema resonante.

8

Figuta 6 Ejemplo del daño que sufre un material a ser sometido a su frecuencia resonancia.

1.8 Grados de libertad

Los grados de libertad son el número mínimo de velocidades generalizadas independientes necesarias para definir el estado cinemático de un mecanismo o sistema mecánico.

Figura 7 Grados de libertad

9

1.9 Principales causas que generan vibraciones

Desbalance, falta de alineamiento, excentricidad, elementos rodantes defectuosos, lubricación inadecuada, aflojamiento mecánico, bandas de accionamiento, problemas de engranaje y fallas eléctricas.

1.91 Métodos de medición

Por aceleración: Acelerómetros Piezoresistivos, Acelerómetros Piezoeléctricos.

Por desplazamiento: LVDTs, Corriente Eddy y Capacitivos

Por velocidad: Vibrómetros Láser

1.92 Espectro

Es la representación grafica que muestra los factores de amplitud y frecuencia de una onda.

2.-Problemas causados por la vibración

2.1 Resonancia

La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración coincide con el periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En el cual una fuerza relativamente pequeña aplicada en forma repetida, hace que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande.

En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza.

Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos.

2.2 Aflojamiento mecánico

El aflojamiento mecánico y la acción de golpeo resultante producen vibración a una frecuencia que a menudo es 2x, y también múltiplos más elevados, de las rpm. La vibración puede ser resultado de pernos de montaje sueltos, de holgura excesiva en los rodamientos, o de fisuras en la estructura o en el pedestal de soporte.

La vibración característica de un aflojamiento mecánico es generada por alguna otra fuerza de excitación, como un desbalance o una falta de alineamiento. Sin embargo, el

10

aflojamiento mecánico empeora la situación, transformando cantidades relativamente pequeñas de desbalance o falta de alineamiento en amplitudes de vibración excesivamente altas.

2.3 Desgaste

El desgaste es la erosión de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie. Esta relacionado con las interacciones entre superficies y más específicamente con la eliminación de material de una superficie como resultado de una acción mecánica.

2.4 Ruido

Es un sonido indeseable, inarticulado y confuso dentro de los diferentes tipos de rodamientos

2.5 Problemas eléctricos

La vibración en estos casos es creada por fuerzas magnéticas desiguales que actúan sobre el rotor o sobre el estator. Es complicado reconocer gráficamente este problema, ya que no tiene características que indiquen deforma sencilla que ésta es la causa de vibración.

2.6 Turbulencia

Es un régimen de flujo caracterizado por baja difusión de momento, alta convección y cambios espacio - temporales rápidos de presión y velocidad. Los flujos no turbulentos son también llamados flujos laminares.

3.- Alineación paralela y angular

La alineación es el proceso mediante el cual la línea de centro de un eje de una maquina, por ejemplo un motor, se hace coincidir con la línea de centro de eje de otra maquina acoplada a ella, por ejemplo una bomba.

Beneficios de una buena alineación

1. Eliminación de esfuerzos no deseados 2. Mayor vida de trabajo 3. Ahorro económico por disminución de fallas.

Tipos de desalineación.

11

1. Paralela Las líneas centro de la flecha del equipo son paralelas, pero están desfasadas una de la otra.

Figura 8 Desalineación paralela

2. Angular Las dos líneas centro de un eje están en ángulo una respecto a la otra, lo ideal es tener una desalineación angular menor a 1°.

Figura 9 Desalineación angular

3. Alineación Correcta

Figura 10 Alineación Correcta

12

La desalineación de ejes es responsable de hasta el 50% de todos los costos relacionados con los fallos de las máquinas rotativas. Estos fallos incrementan el tiempo inoperativo y no planificado de las mismas, provocando mayores costos de mantenimiento y la pérdida de producción. Asimismo, los ejes desalineados pueden incrementar los niveles de vibración y la fricción, lo que a su vez, puede incrementar significativamente el consumo energético y puede causar el fallo prematuro de los rodamientos.

Figura 11 Sobrecalentamiento de un motor causado por desalineación.

3.1 Problemas de Softfoot

Soft food es el término común para una distorsión en el bastidor de la máquina, esto se produce cuando una o más patas de una máquina son más cortas, más largas o tienen un ángulo diferente al resto. Esta falta de uniformidad hace que la tensión en la máquina se eleve cuando se sujetan las patas a la base correspondiente.

El Soft food puede ocasionar que los alojamientos de los cojinetes estén desalineados. Esta desalineación crea una carga sobre el eje de rotación que da lugar a la desviación del eje.

Figura 12 SoftFoot

13

3.2 Métodos de Alineación

Regla Reloj Comparador Laser

Figura 13 Metodos de Alineacion

Regla Reloj comparador Laser

Precisión -- ++ ++ Velocidad ++ -- + Fácil uso ++ -- +

4. Balanceo

Balanceo es el proceso de minimizar vibración, ruido y desgaste a cuerpos rotatorios. Esto se logra al reducir las fuerzas centrifugas alineando el eje de inercia principal con los ejes geométricos de rotación a través de agregar o remover material.

4.1 Desbalance estático

En el desbalance estático la masa no esta sobre el mismo plano (perpendicular al eje de rotación) que el centro de gravedad del rotor. Esto provoca que el eje principal de inercia del conjunto se desplace paralelamente al eje de rotación. Este desbalanceo se corrige con un contrapeso opuesto al peso sobrante.

Figura 14 Desbalanceo estatico

14

4.2 Desbalance dinámico

En una pieza en rotación (rotor), cada punto de su masa esta sometido a la acción de una fuerza radial que tiende a separar ese punto del eje de rotación. Si la masa del rotor esta uniformemente distribuida alrededor del eje, este rotor estará “balanceado” y su rotación no generara vibraciones. Por el contrario si en algún lugar sobra algo de peso, este generara una fuerza centrifuga no equilibrada que deber ser soportada por los apoyos, en este caso el rotor sufrirá un “Desbalance Dinámico”.

Figura 15 Desbalanceo dinámico

4.3 Desbalance Mecánico y Eléctrico

Desbalance eléctrico ocurre cuando hay altas y bajas de corriente eléctrica en los sistemas de eléctricos.

El desbalanceo mecánico es la fuente de vibración más común en sistemas con elementos rotativos, todo rotor mantiene un nivel de desbalanceo residual, el hecho de que estos generen vibraciones o no, dependen básicamente de que estos operen dentro de las tolerancias de calidad establecidas en las normas para las características y velocidades del rotor en cuestión.