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I
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
“ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE SEÑALES DE
VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA
MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE
RODAMIENTOS Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN
DE GUÍA DE PRÁCTICA PARA DESBALANCEO ESTÁTICO”
Tesis previa a la obtención del
título de Ingeniero Mecánico.
Autores:
Cristian Enrique Muñoz Zumba
Álbaro Genaro Vera Rodas.
Director:
Ing. René Vinicio Sánchez
Cuenca, Marzo 2015
II
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
“ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE SEÑALES DE
VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA
MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE
RODAMIENTOS Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN
DE GUÍA DE PRÁCTICA PARA DESBALANCEO ESTÁTICO”
Tesis previa a la obtención del
título de Ingeniero Mecánico.
Autores:
Cristian Enrique Muñoz Zumba
Álbaro Genaro Vera Rodas.
Director:
Ing. René Vinicio Sánchez
Cuenca, Marzo 2015
III
DEDICATORIA
Lo dedicamos a nuestros padres y a nuestra familia que creyeron en nosotros.
IV
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al creador de mis padres y de
todo lo bueno que me rodea que es Dios,
porque fue quien nunca me ha abandonado
y me dio los mejores padres del mundo que
han hecho todo posible para que yo obtenga
una mejor vida, a mis hermanos que con su
magnífica forma de ser nunca me han
dejado solo en todo momento, a toda mi
familia que siempre me han apoyado en
todo e indiscutiblemente me apoyaran en un
futuro, a mis compañeros de laboratorio
Rómulo, Santiago y David por su
convivencia agradable y sus anécdotas,
finalmente a mis amigos y compañeros que
han convivido una vida tan dura como lo es
la vida de la universidad.
Cristian Enrique Muñoz Zumba
V
Agradezco a Dios por darme la fortaleza y la
sabiduría para seguir adelante día a día, a mis
padres Jorge y Blanca por su apoyo
incondicional, sus consejos y cariño brindados
para poder cumplir esta meta tan anhelada y
seguir con mis objetivos, a mis hermanas Marcia
y Gabriela por darme siempre su apoyo, mis
sobrinos Romina e Isaac por ser mi motivación,
a Rómulo, David y Santiago por su colaboración
y su amistad brindada, a familiares y amigos por
estar presentes cuando los necesito.
Álbaro Genaro Vera Rodas.
VI
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
Nosotros, Cristian Enrique Muñoz Zumba y Álbaro Genaro Vera Rodas, declaramos bajo
juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente
presentado por ningún grado o calificación profesional y que hemos consultado las
referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido
por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional
Vigentes.
Cristian Enrique Muñoz Zumba Álbaro Genaro Vera Rodas.
VII
CERTIFICADO
Que el presente proyecto de tesis “ESTABLECIMIENTO DE UNA BASE DE DATOS DE
SEÑALES DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS DE UN SISTEMA
MECÁNICO ROTATIVO CON LA COMBINACIÓN DE FALLOS DE RODAMIENTOS
Y ENGRANAJES HELICOIDALES, Y ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICA
PARA DESBALANCEO ESTÁTICO”, realizado por los estudiantes, Cristian Enrique
Muñoz Zumba y Álbaro Genaro Vera Rodas, fue dirigido por mi persona.
Ing. René Vinicio Sánchez
VIII
RESUMEN
En este proyecto se realiza el levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y de
emisiones acústicas en un sistema mecánico rotativo, simulando fallos en engranajes
helicoidales y en rodamientos de una caja de engranajes, esto con el fin de aportar en el
estudio de detección y diagnóstico de fallos en maquinaria mediante señales de vibraciones
mecánicas y acústicas. De igual manera se desarrolla una guía de prácticas para el balanceo
estático de un rotor entre apoyos en un sistema mecánico rotativo, con fines de aprendizaje
y manejo del equipo analizador de vibraciones, dirigido para estudiantes de pregrado y
personal de la industria referente al área de mantenimiento predictivo.
En el capítulo 1, se realiza una introducción al monitoreo de la condición y adquisición de
señales mediante vibraciones mecánicas y acústicas, se hace una breve revisión bibliográfica
sobre el monitoreo de la condición, se describe técnicas para el monitoreo de la condición de
señales de vibraciones mecánicas y acústicas, se enumera las normas utilizadas, la tipología
de fallos en engranajes helicoidales y la extracción de caracteristicas de señales de vibración
mecánicas y acústicas.
En el capítulo 2, se describe la configuración del sistema mecánico rotativo a analizar, se
hace una descripción general del banco de vibraciones, se indica la construcción de fallos en
engranajes helicoidales y en rodamientos a utilizar en la caja de engranajes para el
levantamiento de señales de vibraciones mecánicas y acústicas.
IX
En el capítulo 3, se realiza la toma de la base de datos de señales de vibraciones mecánicas y
acústicas, se inicia con una descripción de los equipos utilizados para la medición como son:
las tarjetas DAQ, el software de adquisición de datos, los acelerómetros y sensor acústico ,
se indica la ubicación adecuada en la caja de engranajes de los acelerómetros y el sensor
acústico para la toma de señales, según normativas y experimentos anteriores, luego se
presentan los planes experimentales en los mismos consta de la nomenclatura de las pruebas
realizadas, los fallos en los engranajes y rodamientos que se utilizaron en el experimento, en
número de repeticiones de las pruebas y a qué velocidad, cargas fueron tomadas estas
pruebas.
En el capítulo 4, se presenta una guía de prácticas “balanceo estático de un rotor entre apoyos
en un sistema mecánico rotativo” con un analizador de vibraciones ADASH VA4Pro, esta
guía de practica esta dirigirá en general para estudiantes de pregrado de la asignatura de
mantenimiento para complementar sus conocimientos teóricos con la práctica.
X
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN AL MONITOREO DE LA CONDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE
SEÑALES MEDIANTE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS. ........................ 2
1.1 Introducción ............................................................................................................. 2
1.1.1 El propósito del mantenimiento ........................................................................ 2
1.2 Monitoreo de la condición ....................................................................................... 3
1.2.1. Técnicas del monitoreo de la condición........................................................ 4
1.2.2. Parámetros del monitoreo de la condición .................................................... 5
1.2.3. Ventajas del monitoreo de la condición ........................................................ 6
1.2.4. Limitaciones .................................................................................................. 6
1.3 Técnicas de monitoreo de la condición con señales de vibraciones mecánicas y
acústicas .............................................................................................................................. 7
1.3.1. Señales de vibraciones mecánicas ............................................................. 7
1.3.2. Señales de vibraciones acústicas ............................................................... 9
1.3.3. Medidas de emisión acústica ..................................................................... 9
1.4 Normas para la toma de señales de vibraciones mecánicas y acústicas ................ 10
1.4.1. El sistema de las normas ISO ................................................................. 11
1.4.2. Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración ............... 11
1.4.3. Normas para el monitoreo de la condición con emisión acústica .......... 13
1.5 Tipología de fallos de engranajes helicoidales ..................................................... 14
1.6 Instrumentos de medición de vibraciones mecánicas y acústicas para máquinas
rotativas ............................................................................................................................. 17
1.6.1. Tipos de medición .............................................................................. 17
1.6.2. Tipos de medidores de vibración mecánica ........................................ 18
1.6.3. Instrumentos para la medición de emisiones acústicas ..................... 19
1.6.4. Ruido acústico .................................................................................... 19
1.6.5. Esquema de emisión acústica ............................................................. 20
1.7 Extracción de características de señales de vibración mecánicas y acústicas en
engranajes helicoidales ..................................................................................................... 21
1.7.1. Pasos para la extracción de características de las señales ............... 21
XI
1.7.2.1. Para medir en rodamientos ....................................................... 22
1.7.2.2. Para medir en engranajes .......................................................... 23
1.7.2.4. Conceptos básicos para la medición de vibración .................... 24
1.7.3. Métodos de transformada de señales .............................................. 27
1.7.3.1. Formas de la Transformada de Fourier ....................................................... 27
2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO A ANALIZAR ..... 30
2.1. Introducción ........................................................................................................... 30
2.1.1. Configuración del sistema mecánico rotativo .................................................... 30
2.1.1.1. Banco de vibraciones .................................................................................. 30
2.2. Configuración de fallos en engranajes helicoidales y rodamientos ....................... 31
2.2.1. Designación y selección de engranajes para la construcción de fallos .......... 33
2.2.2. Construcción de fallos en los engranajes helicoidales.................................... 33
2.2.3. Fallos en rodamientos ..................................................................................... 38
2.2.4. Construcción de fallos en los rodamientos ..................................................... 39
2.3. Configuración del conjunto de fallos en el sistema mecánico rotativo ................. 40
3. TOMA DE LA BASE DE DATOS DE LAS SEÑALES DE LAS VIBRACIONES
MECÁNICAS Y ACÚSTICAS ............................................................................................ 43
3.1 Descripción de los equipos para la medición de las señales .................................. 43
3.1.1 Software de adquisición de datos ................................................................... 45
3.2 Protocolo para la toma de señales .......................................................................... 48
3.2.1 Procedimiento y consideraciones para la toma de datos ................................ 48
3.2.2 Ubicación de los acelerómetros ...................................................................... 49
3.2.3 Ubicación del sensor acústico......................................................................... 50
3.2.4 Alineación en dos planos entre el motor y el eje principal de la caja de
engranajes ...................................................................................................................... 51
3.3 Base de datos.......................................................................................................... 52
3.3.1 Base de datos 1 ........................................................................................ 52
1.7.2.3. Parámetros importantes para la medición de emisiones
acústicas.................................................................................................23
1.7.2. Parámetros importantes para la medición de vibraciones
mecánicas.................................................................................................22
XII
3.3.1.1 Plan experimental engranajes rectos ................................................. 52
3.3.1.2 Canales de adquisición de datos ....................................................... 53
3.3.1.3 Captación de señal ............................................................................ 54
3.3.1.4 Patrones de fallas .............................................................................. 54
3.3.1.5 Conjunto de datos ............................................................................. 55
3.3.2 Base de datos 2 ........................................................................................ 61
3.3.2.1 Plan experimental engranajes helicoidales ................................... 63
3.3.2.1.1 Canales de adquisición de datos ................................................. 63
3.3.2.1.2 Captación de señal ...................................................................... 63
3.3.2.1.3 Patrones de fallas ........................................................................ 64
3.3.2.1.4 Conjunto de datos ....................................................................... 65
4. ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICAS ........................................................... 70
4.1 Introducción ........................................................................................................... 70
4.1.1. Descripción del banco de pruebas para la guía de practicas .............................. 70
4.2 Equipo analizador ADASH 4400 para prácticas de balanceo ............................... 72
4.3 Guía de prácticas para balanceo estático de un sistema mecánico rotativo ........... 75
4.3.1. Pasos para crear un nuevo proyecto. .............................................................. 75
4.3.2. El desbalance .................................................................................................. 76
4.3.3. Configuración del proyecto ............................................................................ 79
4.4 Validación de la guía de prácticas ......................................................................... 81
4.4.1. Evaluación ...................................................................................................... 82
4.4.2. Datos evaluador .............................................................................................. 84
4.4.3. Resultados de la práctica ................................................................................ 85
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................. 85
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 85
RECOMENDACIONES .........................................................
87
ANEXOS: ............................................................................................................................. 92
86
BIBLIOGRAFÍA: ................................................................................................................
.............................................86
TRABAJOS FUTUROS ......................................................................................................
XIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1. 1. Costo de mantenimiento vs tipo de alerta. ........................................................ 3
Figura 1. 2. Técnica para el monitoreo con señales de vibraciones mecánicas.. ................... 8
Figura 1. 3. Medidas de emisión acústica. ........................................................................... 10
Figura 1. 4. Fractura del diente. ............................................................................................ 15
Figura 1. 5. Picadura del diente. ........................................................................................... 15
Figura 1. 6. Corrosión del diente. ......................................................................................... 16
Figura 1. 7. Abrasión del diente. .......................................................................................... 16
Figura 1. 8. Rayado del diente. ............................................................................................. 17
Figura 1. 9. Transductores de aceleración.. .......................................................................... 18
Figura 1. 10. Medición de emisiones acústicas .................................................................... 20
Figura 1. 11. Instrumentos de medición para emisiones acústicas. ...................................... 20
Figura 1. 12. Colocación del acelerómetro. .......................................................................... 22
Figura 1. 13. Orientación de las mediciones. ....................................................................... 23
Figura 1. 14. Amplitud de una señal ..................................................................................... 24
Figura 1. 15. Fase entre dos señales ..................................................................................... 25
Figura 1. 16. Unidades de amplitud ...................................................................................... 26
Capítulo 2
Figura 2. 1. Banco de pruebas de vibraciones mecánicas. .................................................. 31
Figura 2. 2. Tipos de fallos en engranajes.. .......................................................................... 32
Figura 2. 3. Distribución de engranajes en la caja de elementos dentados. .......................... 33
Figura 2. 4. Fallos en rodamientos. ...................................................................................... 38
XIV
Capítulo 3
Figura 3. 1. Software de adquisición de datos. ..................................................................... 45
Figura 3. 2. Espectro FFT. .................................................................................................... 46
Figura 3. 3. Espectro FFT de envolvente.............................................................................. 46
Figura 3. 4. Espectro de kurtosis. ......................................................................................... 47
Figura 3. 5. Espectro de la señal original. ............................................................................ 47
Figura 3. 6. Espectro demodulación de resonancia. ............................................................. 48
Figura 3. 7. Colocación de los acelerómetros en una caja de engranajes. ............................ 50
Figura 3. 8. Colocación del sensor acústico. ........................................................................ 50
Figura 3. 9. Alineación en dos planos. ................................................................................. 51
Figura 3. 10. Configuración de la caja de engranajes, base de datos 1. ............................... 53
Figura 3. 11. Configuración de la caja de engranajes base de datos 2. ................................ 62
Capítulo 4
Figura 4. 1. Banco de pruebas. ............................................................................................. 70
Figura 4. 2. Analizador ADASH 4400 ................................................................................. 72
Figura 4. 3. Analizador ADASH 4400 esquema. ................................................................. 73
Figura 4. 4. Conector y Acelerómetro. ................................................................................. 73
Figura 4. 5. Conector y tacómetro. ....................................................................................... 74
Figura 4. 6. Pantalla de inicio del equipo ADASH 4400.. ................................................... 74
Figura 4. 7. Espectro de desbalance en un plano. ................................................................. 78
Figura 4. 8. Espectro de desbalance en dos planos. .............................................................. 78
Figura 4. 9. Espectro de desbalance en voladizo. ................................................................. 79
Figura 4. 10. Configuraciones básicas de balanceo. ............................................................. 79
XV
ÍNDICE DE TABLAS
Capítulo 1
Tabla 1. 1. Parámetros del monitoreo. .................................................................................... 5
Tabla 1. 2. Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración. .......................... 12
Tabla 1. 3. Normas ISO para emisiones acústicas. ............................................................... 14
Capítulo 2
Tabla 2. 1. Datos constructivos de los engranajes helicoidales. ........................................... 34
Tabla 2. 2. Datos constructivos de fallos en los engranajes helicoidales. ............................ 34
Tabla 2. 3. Fallos en engranaje helicoidal Z1. ...................................................................... 36
Tabla 2. 4. Datos constructivos de fallos en los rodamientos............................................... 39
Capítulo 3
Tabla 3. 1. Equipos para la medición de señales. ................................................................. 43
Tabla 3. 2. Consideraciones antes de la toma de datos......................................................... 49
Tabla 3. 3. características y descripción de engranajes rectos.............................................. 52
Tabla 3. 4. Variables para el conjunto de datos de la base de datos 1. ................................. 55
Tabla 3. 5. Descripción de fallos. ......................................................................................... 57
Tabla 3. 6. Características y descripción de engranajes helicoidales. .................................. 61
Tabla 3. 7. Variables para el conjunto de datos de la base de datos 2. ................................. 65
Tabla 3. 8. Fallas en engranajes helicoidales........................................................................ 66
Capítulo 4
Tabla 4. 1. Disco para balanceo y sus elementos de montaje. .............................................. 71
XVI
Tabla 4. 2. Tipos de desbalanceo .......................................................................................... 76
Tabla 4. 3. Parámetros para la configuración del proyecto. ................................................. 80
1
2
1. INTRODUCCIÓN AL MONITOREO DE LA CONDICIÓN Y ADQUISICIÓN
DE SEÑALES MEDIANTE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICAS.
1.1 Introducción
En la industria, los sistemas rotativos mecánicos más utilizados son generalmente las cajas
de engranajes, estas pueden ser de dientes rectos o helicoidales, por lo general los engranajes
más utilizados son los engranajes helicoidales por características superiores en eficiencia.
Es fundamental contar con un programa de mantenimiento ya que este representara una parte
importante en una empresa debido a que fortalecerá la competividad de la misma, además
garantizara la disponibilidad de equipos en condiciones de calidad y seguridad adecuadas de
operación [1] [2].
1.1.1 El propósito del mantenimiento
El propósito del mantenimiento en cualquier tipo de negocio es brindar la capacidad de
producción a menor costo, el mantenimiento puede considerarse como un servicio de
confiabilidad y no de reparación. La producción es la razón fundamental que algunas
empresas existan debido que su eficiencia se basa en la capacidad de producción, hay otras
empresas como hospitales, transporte, edificios que necesitan sus propias medidas o
indicadores de su rendimiento. Una labor de mantenimiento a menudo incluye el reemplazo
de piezas importantes de la máquina o mejoras en su diseño, la fiabilidad de esta puede ser
medida si esta cumple su función las veces que sean necesarias [3].
Los problemas encontrados en su fase incipiente o temprana serán corregidos a un menor
costo, detectar y corregir un problema más tarde su costo de reparación será mayor, en la
3
figura 1.1 se observa que el costo del mantenimiento se incrementa mientras más tarde se
detecte y se corrija el problema [4].
Figura 1. 1. Costo de mantenimiento vs tipo de alerta. Fuente [4].
1.2 Monitoreo de la condición
El monitoreo de la condición es una herramienta para determinar la salud y el estado de una
maquina por medio del control de los parámetros los cuales reflejan el estado de la misma.
Este tipo de mantenimiento puede efectuarse en intervalos irregulares y no en fijos como es
el caso del mantenimiento periódico preventivo, lo principal en este mantenimiento es
levantar la información del estado y condición de la máquina, y así realizar las acciones
correctivas en el tiempo oportuno [5] [6].
Se puede lograr un mantenimiento eficaz por medio de un mantenimiento basado en la
condición (MBC) este mantenimiento se lo realiza en respuesta, a un cambio de los
4
parámetros en el monitoreo de la condición de la maquina es decir a un deterioro significativo
de la misma, “No se efectúa ningún mantenimiento mientras la condición no cambie” [7][8].
1.2.1. Técnicas del monitoreo de la condición
Existe varias técnicas del monitoreo de la condición que se llevan a cabo por personal de
mantenimiento de la propia empresa o especialistas externos, una ventaja es integrar estas
técnicas en una base de datos común con la que se pueda contar para tareas futuras de
mantenimiento.
Las técnicas usadas para el monitoreo de la condición generalmente ingresan en cinco
categorías, la aplicación de estas dependerá de la criticidad de la máquina, sus modos de
degradación, los costos del fracaso y su vigilancia, el integrar más de una de estas técnicas
es fundamental [7].
Las técnicas utilizadas para el monitoreo del comportamiento de un equipo, se lo realiza a
través de una medida o seguimiento de varios parámetros físicos, las técnicas más utilizadas
son:
Análisis de lubricantes
Análisis de emisiones acústicas
Análisis de vibraciones
Ensayos no destructivos: Inspección visual, tintas penetrantes, partículas magnéticas,
radiografías, ultrasonido, termografía infrarroja, etc
Análisis de corriente en máquinas eléctricas
Con la utilización de las distintas técnicas de monitoreo se puede programar una acción
correctiva, además lograr disminuir las fallas catastróficas aumentando la vida útil de los
5
equipos, estas técnicas de monitoreo tienen su campo de aplicación en el cual se puede
conseguir mayor beneficio y el hecho de utilizarlas de manera combinada potencia la eficacia
de su aplicación [2].
1.2.2. Parámetros del monitoreo de la condición
Los parámetros del monitoreo de la condición pueden ser de orden mecánico, eléctrico y
químico; estos dependerán del tipo de maquinaria y los procesos que realicen, tal como se
muestra en la tabla 1.1.
Tabla 1. 1. Parámetros del monitoreo. Fuente: [9].
Parámetros
Mecánicos
Parámetros
Eléctricos
Parámetros
Químicos
Vibraciones
Aceleración
Velocidad
Caudal
Tensión
Deformación
Presión
Voltaje
Frecuencia
Amperaje
Potencia
Acidez
Alcalinidad
Conductividad
6
1.2.3. Ventajas del monitoreo de la condición
Varias empresas han tomado al monitoreo de la condición como una herramienta
fundamental inmersa en la cultura organizacional de estas, algunas empresas a largo plazo
ya no se complican en determinar los costos y beneficios de este mantenimiento [7].
A continuación se muestran algunas ventajas:
Disminuye las interrupciones del servicio debido a fallas y averías
Reduce los costos de mantenimiento al permitir alcanzar el máximo ciclo de vida de
equipos y maquinarias, y no producirse recambios que no son necesarios
Incrementa sustancialmente la confiabilidad de equipos y maquinaria
Disminuye el estrés causado por la presencia constante de emergencias [9]
1.2.4. Limitaciones
•El costo inicial de implementar este sistema y la adquisición de instrumentos para el
diagnóstico es inicialmente alto
•Requiere de personal especializado para la operación de equipos e instrumentos
•Requiere capacitación constante en las técnicas de interpretación y diagnóstico [9]
7
1.3 Técnicas de monitoreo de la condición con señales de vibraciones mecánicas y
acústicas
Se puede decir que el análisis dinámico basado en la medición de vibraciones mecánicas es
la técnica más utilizada para realizar el diagnostico de una máquina rotativa, la cual se
abordará en el presente capítulo, de igual forma la técnica del monitoreo con señales de
vibraciones acústicas.
1.3.1. Señales de vibraciones mecánicas
La técnica más básica de monitoreo de vibración mecánicas es medir el nivel general de
vibraciones en una amplia banda de frecuencias. El nivel de vibración medido será un
indicador de la condición. Al conocer la relación entre las frecuencias y los tipos de defectos,
los analistas de vibración pueden determinar la causa y la gravedad de los fallos o condiciones
problemáticas. La historia de la máquina y el patrón de degradación de la misma es
importante para determinar el estado de su funcionamiento actual y futuro.
Con la aplicación del análisis de vibración se puede monitorear las siguientes condiciones
en máquinas rotativas:
Las grietas y la rugosidad en componentes del elemento de rodamientos
Desequilibrio de las máquinas giratorias
Desalineación de eje
Problemas de acoplamiento
Curvas, arcos y las grietas en los ejes
El exceso de desgaste de los cojinetes de la manga
Las piezas sueltas
Desalineación o daño en dientes del engranaje
El deterioro causado por piezas rotas o faltantes
8
El deterioro causado por la erosión y la corrosión
Resonancia de los componentes
Efectos eléctricos
En la figura 1.2, se indican algunas técnicas para el monitoreo con señales de vibraciones
mecánicas.
Figura 1. 2. Técnica para el monitoreo con señales de vibraciones mecánicas. Fuente [10].
9
1.3.2. Señales de vibraciones acústicas
El monitoreo de vibraciones acústicas es otra técnica para realizar el monitoreo de la
condición de una máquina rotativa, de igual forma que la de vibraciones mecánicas no afecta
el funcionamiento normal de la máquina, se la denomina esta técnica generalmente de
emisiones acústicas.
La alta sensibilidad de emisiones acústicas en la detección de la pérdida de integridad
mecánica en comparación con la técnica de monitoreo de la condición con vibraciones
mecánicas es una ventaja para el monitoreo de la salud de la máquina. Con las emisiones
acústicas se puede detectar cambios sutiles relacionados con defectos de la maquinaria,
incluso cuando está girando muy lentamente.
Cuando la sensibilidad de detección de fallos es la consideración principal para elegir una
tecnología de monitoreo de la condición, los sensores de emisión acústica muestran su
eficacia y superioridad de producir una indicación detectable de un pequeño defecto, es decir
las emisiones acústicas puede proporcionar una alerta temprana de problemas incipientes
[11][12].
1.3.3. Medidas de emisión acústica
Las señales de emisiones acústicas se pueden registrar y analizar utilizando diferentes
técnicas. La primera técnica se denomina la técnica clásica de emisiones acústicas llamada
medición de datos por impulso de golpe y la segunda técnica medición de datos por impulso
de tiempo.
La extracción de la información requerida de las señales detectadas es lo referente al
procesamiento de señales [11].
10
Figura 1. 3. Medidas de emisión acústica. Fuente [11]
1.4 Normas para la toma de señales de vibraciones mecánicas y acústicas
En el presente ítem se presentara las normativas para realizar el monitoreo de la condición
con señales de vibraciones mecánicas y de señales de emisiones acústicas.
11
1.4.1. El sistema de las normas ISO
En el campo del monitoreo y análisis de vibraciones en máquinas existe una gran variedad
de normas que destacan, publicadas por la organización internacional de normalización
(ISO), en la mayoría de los casos estas normas han sido desarrolladas en consenso por los
consumidores y fabricantes [10].
La normalización en el campo de la vibración mecánica y el monitoreo de la condición el
diagnóstico de máquinas, incluyen:
Terminología
Excitación por las fuentes, tales como máquinas y vibración de dispositivos de
prueba de choque
Eliminación, reducción y control de vibraciones, especialmente por el equilibrio, el
aislamiento y la amortiguación
Medición y evaluación de la exposición humana a vibraciones y golpes
Métodos y medios de medición y calibración
Métodos de prueba
Métodos de medición, manejo y procesamiento de los datos necesarios para llevar a
cabo el monitoreo de la condición y diagnóstico de máquinas [13]
1.4.2. Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración
Las normas para la evaluación de la severidad de la vibración se considera una de las
actividades más importantes de la norma ISO / TC108. Debido a la alta gama de categorías
de máquinas y sus clasificaciones, existen una amplia variedad de normas publicadas para
describir los límites de vibración aceptables, incluyendo la ISO 7919 "vibración mecánica
de las máquinas no-recíprocas - Mediciones en los ejes y criterios de evaluación de rotación"
y la serie ISO 10816 "Mecánica vibración - evaluación de la vibración de la máquina
mediante mediciones en partes no giratorias”[14].
12
Tabla 1. 2. Normas ISO para la evaluación de la severidad de vibración. Fuente: [15].
NORMA NOMBRE
ISO 7919 La vibración mecánica de las máquinas no-reciprocantes-
Medición de ejes giratorios y criterios de evaluación
ISO 7919-1: 1996 Parte 1: Directrices Generales
ISO 7919-2: 2001
Parte 2: Turbinas y generadores de vapor en tierra de más de 50
MW con velocidades normales de funcionamiento de 1.500 r /
min, 1800 r / min, 3000 r / min y 3.600 r / min
ISO 7919-3: 1996 Parte 3: Acoplado de máquinas industriales
ISO 7919-4: 1996 Parte4: Conjunto de turbinas de gas
ISO 7919-5: 1997 Parte 5: Conjunto de máquinas de generación de energía
hidráulica y plantas de bombeo
ISO 10816 Evaluación de Máquinas- Vibraciones y Medición de partes no
rotativas
ISO 10816- 1 Parte 1: Reglas generales
ISO 10816- 2
Parte 2: Turbina de gas y Generadores sobre 50 MW con
velocidades de operación de: 1500 rpm, 1800 rpm, 3000 rpm y
3600 rpm
13
ISO 10816- 3
Parte 3: Máquinas industriales con potencia nominal por encima
de 15 kW y velocidades entre 120 rpm y 15000 rpm, medidas
In Situ
ISO 10816- 4
Parte 4: Para Turbinas a Gas, excepto los derivados de aviones
ISO 10816- 5
Parte 5: Máquinas con potencia hidráulica, plantas generadoras
y de bombeo
ISO 10816- 6
Parte 6: Corresponden a máquinas reciprocicantes con potencia
por sobre a 100 Kw
ISO 10816-7
Parte 7: Bombas rotodinámicas para la aplicación industrial
ISO 18436-2:2014
Monitorización de estado y diagnóstico de máquinas -
Requisitos para la calificación y evaluación de personal - Parte
2: Estado de monitoreo de vibraciones y diagnóstico
ISO 15242-1:2004 Rodamientos - métodos de medición de vibraciones - Parte 1 :
Fundamentos
1.4.3. Normas para el monitoreo de la condición con emisión acústica
En la siguiente tabla se enumeran las normas del monitoreo de la condición con señales de
emisión acústica, medición, evaluación y diagnóstico de máquinas.
14
Tabla 1. 3. Normas ISO para emisiones acústicas. Fuente: [15][16][17].
NOMBRE NORMA
ISO 22096:2007 Monitoreo de la condición y diagnóstico de máquinas -
emisión acústica
ISO/TR 13115:2011 Ensayos no destructivos - Métodos para la calibración
absoluta de transductores de emisión acústica mediante
la técnica de la reciprocidad
ISO 18436-6:2014 Monitorización de estado y diagnóstico de máquinas -
Requisitos para la calificación evaluación de personal -
Parte 6: La emisión acústica
ISO 12716:2001 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones
acústicas – Vocabulario
ISO 12713:1998 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones
acústicas - calibración primaria de transductores
ISO 12714:1999 Ensayos no destructivos - inspección de emisiones
acústicas - calibración secundaria de sensores de
emisión acústica
1.5 Tipología de fallos de engranajes helicoidales
Existen diferentes tipos de fallos en engranajes, estos fallos son similares tanto para los
engranajes rectos como para engranajes helicoidales, en lo que a causas se refiere, las causas
más comunes se enumeran a continuación [18]:
15
Fractura del diente: Es producido por una fuerza que supera la carga admisible del
diente figura 1.4.
Figura 1. 4. Fractura del diente. Fuente: [19].
Picadura: Es producido por la fatiga que se da por un contacto de esfuerzo continuo
y en el diente, se observa en la figura 1.5.
Figura 1. 5. Picadura del diente. Fuente: [20].
16
Corrosión: Es producido por una reacción química que se da en el diente debido a
sustancias o fluidos, se observa en la figura 1.6.
Figura 1. 6. Corrosión del diente. Fuente: [20].
Abrasión: Sucede por el contacto con partículas que están presentes en el lubricante
y que produce el desprendimiento de material en el diente, figura 1.7.
Figura 1. 7. Abrasión del diente. Fuente: [21].
.
17
Ralladura: Ocurre por el contacto de fricción entre los dientes y la falta de
lubricación, figura 1.8.
Figura 1. 8. Rayado del diente. Fuente: [22].
El rayado es un desgaste abrasivo caracterizado por líneas cortadas en la dirección de
deslizamiento. Este tipo de daño también se produce por contaminantes en el lubricante y
puede ser eliminado mediante la sustracción de los mismos [23].
1.6 Instrumentos de medición de vibraciones mecánicas y acústicas para máquinas
rotativas
Los instrumentos de medición de señales que se describe en esta sección sirven para entregar
datos de señales de variables físicas y posteriores a su análisis, diagnosticar el estado de la
máquina rotativa.
1.6.1. Tipos de medición
Existen 2 tipos de medición, la primera es la medición de forma directa en la que la
información se obtiene directamente del equipo medido y el otro tipo de medición es la
18
medición indirecta en la que además se necesita de fórmulas para obtener la información de
medición [24].
1.6.2. Tipos de medidores de vibración mecánica
Los medidores de vibración se clasifican por el tipo de transductor de señal.
Transductor de desplazamiento relativo sin contacto
Transductor de desplazamiento relativo de contacto
Transductor de velocidad
Transductor de aceleración
Los más utilizados son los transductores de aceleración debido a su mayor rango de
frecuencia, a su tamaño y a las ventajas de que a través de una integración de señal se puede
obtener la velocidad o desplazamiento vibratorio [25].
Figura 1. 9. Transductores de aceleración. Fuente: [26] [27] [28]..
Transductores de
aceleración
Acelerómetro mecánico
Acelerómetro capacitivo
Acelerómetro piezoeléctrico
Acelerómetros piezoresistivos
Acelerómetro térmico
19
1.6.3. Instrumentos para la medición de emisiones acústicas
La emisión acústica es la ciencia que trata de la generación, transmisión, recepción y efectos
de sonido. También se puede decir que es el sonido detectable en la estructura o transmitido
por el aire que puede manifestarse como una señal en objetos mecánicos.
La tecnología acústica incluye frecuencias tan bajas como 2 Hz y tan altas como la gama
MHz. A través de un proceso de filtrado que pasa la banda de frecuencia, y la selección de
sensores, los usos potenciales para pruebas acústicas para diagnosticar la condición del
equipo y operatividad es prácticamente ilimitada, debido a que los monitores acústicos
pueden filtrar el ruido de fondo, que son más sensibles a las pequeñas fugas que el oído
humano, y pueden detectar ruidos anormales de bajo nivel antes que las técnicas
convencionales. También pueden ser utilizados para identificar la ubicación exacta de una
anomalía.
Debido a su amplio espectro de frecuencias, la acústica se divide en dos rangos, la gama
sónica y el rango ultrasónico.
Rango Sónico (0 Hz - 20 kHz) incluye todas las frecuencias en el rango de audición
de los humanos e incluye todas las frecuencias utilizadas en el análisis de vibración
mecánica y detección de fugas de baja frecuencia (2 Hz - 20 kHz)
Rango ultrasónico (20 kHz - 1 MHz) se utilizan en la detección de la cavitación, la
emisión acústica, la detección de fugas de alta frecuencia y la detección de descargas
parciales.
Cada uno de estos rangos de frecuencia hace uso de transductores de contacto y no contacto,
como micrófonos, acelerómetros y transductores resonantes de alta frecuencia [29].
1.6.4. Ruido acústico
Es un sonido complejo no deseado y que produce molestias al oído humano, dentro de una
señal de vibración o emisión es la parte que no representa importancia pero representa una
contaminación en la señal [30][31]
20
1.6.5. Esquema de emisión acústica
Para estos transductores los sensores se dividen principalmente en piezoeléctricos,
electrodinámicos, capacitivos entre otros, los cuales tienen un funcionamiento muy parecido
a los acelerómetros para vibración, figura 1.10.
Figura 1. 10. Medición de emisiones acústicas. Fuente: [32].
A continuación en la figura se citan algunos dispositivos para la medición de emisiones
acústicas.
Figura 1. 11. Instrumentos de medición para emisiones acústicas. Fuente: [33] [34] [35].
21
1.7 Extracción de características de señales de vibración mecánicas y acústicas en
engranajes helicoidales
Para le extracción de señales es necesario describir los parametros a tener en cuenta para
realizar el levantamineto de datos de señales de vibraciones mecanicas y emisiones acusticas.
1.7.1. Pasos para la extracción de características de las señales
Para la extracción de características de señales de vibración y emisiones acústicas siguen los
siguientes pasos:
1. Realizar el montaje mecánico de los elementos que se va a analizar en el banco de
pruebas.
2. Ubicar los sensores de aceleración dependiendo del elemento que vamos a analizar,
cabe decir que el acelerómetro debe estar situado de manera perpendicular al
elemento a analizar y de ser necesario se debe evitar interferencias de ruido o señales
eléctricas adicionales que se pueden dar en el contorno mediante filtros de paso alto
y de paso bajo.
3. Encender los equipos con el procedimiento correcto y configurar los parámetros que
se requieren para la toma de datos, encender el motor a velocidades específicas.
4. Tomar datos, estos se obtienen de las señales que son enviadas de los acelerómetros
o el sensor acústico a la tarjeta receptora de señal (DAQ) que se encarga de
transformar el tipo de señal a un espectro.
Con los espectros de las características del funcionamiento de los elementos, se analiza si
están relacionados a la realidad del estado de los equipos y posteriormente guardar los datos
tomados.
22
1.7.2. Parámetros importantes para la medición de vibraciones mecánicas
Para una extracción correcta de señales, el montaje de los acelerómetros juega un papel
importante. La ubicación de los acelerómetros tanto para la medición de vibración en
rodamientos como para engranajes difiere levemente y se describir a continuación.
1.7.2.1. Para medir en rodamientos
Ubicación de los puntos de prueba:
Como se muestra en la figura 1.12, los acelerómetros se deben colocar lo más cerca posible
del rodamiento en una parte de metal sólido, el acelerómetro debe estar de forma radial al
rodamiento.
Figura 1. 12. Colocación del acelerómetro. Fuente: [36].
Para los motores de menos de 50HP el acelerómetro debe ser colocado en un punto de prueba
y para los motores de más de 50HP se debe colocar un acelerómetro por cada rodamiento.
Como se muestra en la figura 1.13, una medición triaxial es utilizado para comprobar el
estado de una máquina, esto quiere decir que se harán mediciones en 3 direcciones(radial,
axial y tangencial al rodamiento) en cada punto de medición. [36].
23
Figura 1. 13. Orientación de las mediciones. Fuente: [36].
1.7.2.2. Para medir en engranajes
La ubicación de los acelerómetros está dada por la norma ISO10816-3, la misma indica que
la medición de vibración debe realizarse en una parte no rotatoria de la máquina, en el
descanso del eje o del engranaje por ejemplo, y de no ser posible la colocación en estos
puntos, la norma indica que se debe colocar en la carcasa o en algún punto seguro para
realizar la medición.
En los engranajes rectos los acelerómetros deben ser ubicados en forma radial y tangencial
al engranaje, mientras que en los engranajes helicoidales los acelerómetros deben ser
colocados en forma radial y axial al engranaje [37].
1.7.2.3. Parámetros importantes para la medición de emisiones acústicas
Se necesita tomar en cuenta algunos parámetros como, la ubicación del montaje de los
dispositivos para la extracción de señales de emisiones acústicas, el ruido del entorno que
puede afectar la señal.
24
1.7.2.4. Conceptos básicos para la medición de vibración
En el estudio de la extracción de características que entrega las señales de vibración
mecánicas y las emisiones acústicas, se requiere conocer algunas definiciones de aplicación
a la medición de la amplitud de vibraciones mecánicas, entender también las características
de las señales y su comportamiento, para la obtención de conocimientos básicos.
Amplitud pico (pk)
Se define como la distancia del punto de equilibrio a la distancia máxima de la onda (A), esto
se muestra en la figura 1.14.
Figura 1. 14. Amplitud de una señal. Fuente: [36].
Amplitud pico a pico (pk-pk)
Se define como la distancia máxima desde una cresta negativa a una cresta positiva, como el
caso de una onda senoidal, la amplitud pico a pico es la amplitud pico multiplicado por dos
debido a que una onda senoidal es simétrica.
25
Amplitud
Es la raíz del promedio de los cuadrados (RPC) de los valores de la onda medida y este valor
es proporcional al área bajo la curva. Luego si es que se rectifica a los valores de los picos
negativos (se les hace positivos), la curva resultante esta promediado a un nivel medio que
es proporcional al RPC.
Fase
Como se explica en la figura 1.15, es el desplazamiento de tiempo entre dos ondas que es
medida en términos de ángulos (radianes o grados), un ejemplo claro es un desplazamiento
de fase de 360 grados que es un retraso de un periodo o de un ciclo y un desplazamiento de
fase de 90 grados es un desplazamiento de un cuarto del ciclo y estos desplazamientos pueden
ser consideradas negativas o positivas [36].
Figura 1. 15. Fase entre dos señales. Fuente: [36].
Ancho de fase
Es una medida de la relación de temporización entre dos señales, en el análisis de un solo
canal de vibración, esta relación es entre la amplitud de pico de la señal de vibración y el
disparo del tacómetro. La diferencia de tiempo se utiliza para calcular el ángulo de fase. El
analista utiliza fase al equilibrar un rotor para localizar el punto pesado. La fase es también
26
una herramienta útil para detectar fallos como desequilibrio, desalineación, la excentricidad,
la flojedad, pata coja, desalineación teniendo, resonancia y otras condiciones del problema.
Mediciones de fase son muy importantes en el diagnóstico y corrección de máquinas
desbalanceadas [29].
Frecuencia
La frecuencia viene dado por (1/T) por lo que es el reciproco del periodo y está definido
como el número de ciclos que se da en un segundo y su unidad es el Herzio (Hz) [30].
Unidades de amplitud
Por lo general el desplazamiento se mide en milésimas de pulgada y se usa el valor pico a
pico como costumbre más que por factibilidad, figura 1.16.
Figura 1. 16. Unidades de amplitud. Fuente:[31].
Velocidad
Se mide en pulgadas por segundo y se usa el valor pico o en RPC, por costumbre se usa el
valor pico.
27
Aceleración
Se mide en G (gravedad) o en pulgadas por segundo al cuadrado pero por lo general se usa
G que equivale a 386 pulgadas por segundo al cuadrado.
Ruido
Se denomina ruido a cualquier perturbación de tipo eléctrica, electromagnética, mecánica o
acústica que interfiere en la señal de la toma de datos uniéndose al espectro característico
producido por la vibración del elemento que se está analizando [38].
1.7.3. Métodos de transformada de señales
Para la obtención de las características de las señales podemos usar algunos métodos de
transformación de señales, entre ellos, el método para transformar estas señales en dominio
de la frecuencia es la transformada de Fourier.
1.7.3.1. Formas de la Transformada de Fourier
Serie de Fourier
La serie de Fourier se utiliza para realizar un análisis de frecuencias de señales periódicas
pero mas no un análisis de señales continuas o aleatorias y cuyas señales repiten su forma
en un número infinito de veces, esta serie muestra señales que son representadas con una
suma de funciones de senos y cosenos cuyas frecuencias son múltiplos del periodo de la señal
de tiempo.
28
Coeficientes de Fourier
La determinación de los coeficientes de Fourier sirven para transformar del dominio del
tiempo al dominio de la frecuencia, y permiten de ser necesario regresar o transformar del
dominio de la frecuencia al dominio del tiempo sin perder información.
Transformada integral de Fourier
Puede transformar una señal continua de tiempo de forma arbitraria en un espectro continuo
con una extensión de frecuencias infinita.
Una característica interesante de la transformada de Fourier es el hecho que un evento que
abarca un periodo de tiempo corto se extenderá sobre un largo rango de frecuencias o
viceversa.
Transformada discrecional de Fourier
Resulta difícil los cálculos en computadoras digitales con la transformada de Fourier
entonces la transformada discrecional de Fourier (TDF) fue creada pese a que quien la
concibió probablemente por primera vez no tenía una computadora digital.
La TDF trabaja con una señal de muestras discreta en el dominio del tiempo y a partir de esta
se genera un espectro discreto en el dominio de la frecuencia.
El espectro resultante es una aproximación de la serie de Fourier gracias a que se pierde la
información entre las muestras de la forma de onda.
Transformada rápida de Fourier
La transformada rápida de Fourier (TRF) es una manera rápida y eficaz de calcular la TDF
mediante un algoritmo.
El rango de frecuencias cubierto por el análisis TRF depende de la cantidad de muestras
recogidas y de la proporción de muestreo [36].
29
30
2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO A ANALIZAR
2.1. Introducción
Este capítulo muestra los fallos simulados en engranajes helicoidales y rodamientos para una
caja de engranajes del banco de vibraciones del laboratorio de la Universidad Politécnica
Salesiana. Para posteriormente realizar un levantamiento de señales de vibraciones
mecánicas y acústicas.
2.1.1. Configuración del sistema mecánico rotativo
2.1.1.1. Banco de vibraciones
El banco de vibraciones utilizado para levantar los datos de vibraciones mecánicas y acústicas
consta con los implementos necesarios para simulación de fallos en engranajes dentro de una
caja reductora, fallos en rodamientos, carga axial y radial en el eje de trasmisión a la caja
reductora, desbalanceo y desalineación en los ejes de trasmisión.
En la figura 2.1, se observa las unidades de mando del banco de pruebas además de su caja
de engranes.
31
Figura 2. 1. Banco de pruebas de vibraciones mecánicas. Fuente: [39].
Con mayor detalle la descripción del banco se indica en el trabajo de tesis “Establecimiento
de una base de datos de señales de vibraciones mecánicas para sistemas mecánicos rotativos
con la combinación de diferentes tipos de fallos y elaboración de guías de prácticas para
detección de fallos en rodamientos” realizada por Santiago Nivelo y David Romero [39].
2.2. Configuración de fallos en engranajes helicoidales y
rodamientos
Los engranajes helicoidales se utilizan para reducir la velocidad y aumentar el torque en los
sistemas de trasmisión. Con la trasmisión de torque las superficies de los dientes se deslizan
uno sobre otro creando tensiones entre ellas, estas tensiones pueden crear raspaduras,
desgaste y picaduras en los dientes de los engranajes por causa del contacto de metal a metal,
el aceite utilizado para la lubricación ayudara a reducir la gravedad de estos fallos. En el
capítulo anterior se citaron algunos fallos que se pueden presentar en este tipo de engranajes,
la figura 2.2, muestra tipos de fallos en engranajes [40][41].
32
Figura 2. 2. Tipos de fallos en engranajes. Fuente [41].
33
2.2.1. Designación y selección de engranajes para la construcción de fallos
Se realizó la designación de los engranajes helicoidales montados en la caja reductora para
lo posterior seleccionar los fallos a simular en los engranajes helicoidales. En la figura 2.3
se observa la disposición de los engranajes helicoidales en la caja reductora y su
nomenclatura.
Figura 2. 3. Distribución de engranajes en la caja de elementos dentados.
2.2.2. Construcción de fallos en los engranajes helicoidales
La selección para la construcción de fallos en los engranajes helicoidales se realizó mediante
una revisión bibliográfica de experimentos realizados en otros laboratorios con el fin que no
coincidan las medidas de los fallos y con la supervisión del Ing. Chuan Li, PhD. colaborador
del centro de investigación, desarrollo e innovación en ingeniería de la Universidad
34
Politécnica Salesiana. En tabla 2.1 se aprecia los datos generales de los engranajes
helicoidales que se utilizó en el ensayo.
Tabla 2. 1. Datos constructivos de los engranajes helicoidales.
Engranajes Módulo Número
dientes
∅(ángulo
de
presión)
𝝍(ángulo
de hélice)
Z1 2.25 30 20 20
Z2 y Z3 2.25 45 20 20
Z4 2.25 80 20 20
En la siguiente tabla 2.2, se presentan los fallos fabricados en engranajes helicoidales para
la toma de señales de vibraciones mecánicas y señales acústicas.
Tabla 2. 2. Datos constructivos de fallos en los engranajes helicoidales.
ENGRANAJE TIPO DE
FALLO CARACTERÍSTICAS
NIVEL DE
FALLO
Z1 [41] FALLO POR
DESGASTE Desgaste de 10% del área de la cara
del diente del piñón
INCIPIENTE
35
Z2 [37] RAYADO Y
ESCORIADO
ESCORIADO DESTRUCTIVO 25%
2 mm a lo largo del perfil del diente
10 mm a través de la cara del diente
Profundidad de 0.25 mm
INCIPIENTE
Z3 [42]
FATIGA
SUPERFICIAL
PICADURA
1 mm del ancho de la cara del diente
0.8 mm de ancho
0.075 mm de profundidad
INCIPIENTE
DESGASTE
Desgaste de 2 líneas a lo largo de la
cara del diente
Profundidad de 0.4 mm
Ancho 0.7 mm
Separación entre líneas 0.7 mm
INCIPIENTE
Z4
ROTURA DE
DIENTE
GRIETA
Longitud de grieta de 2mm
Angulo de la grieta de 45 grados
Profundidad de 15% del ancho de la
cara del diente
Ancho de la grieta 0.5mm
INCIPIENTE
RAYADO Y
ESCORIADO
1.2 mm a lo largo del perfil de diente
(ancho del escoriado)
25 mm a través de la cara del diente
(o a la totalidad del diente)
Profundidad de 0,025 mm
INCIPIENTE
Total de engranes 6
36
Se fabricó otro tipo de fallo en el engranaje helicoidal de designación de Z1, con rotura de
diente, con roturas progresivas hasta su rotura total del diente, estos fallos fueron construidos
en un total de nueve engranajes helicoidales. En la tabla 2.3 se describe las características de
los fallos.
Tabla 2. 3. Fallos en engranaje helicoidal Z1.
Fallos de rotura del diente progresivo en Z1
Número de
engranaje.
Porcentaje de
rotura del
diente.(%)
Medida del
material
removido.(mm)
Imagen
1 15 3
2 23,5 4.7
3 32,5 6.5
37
4 48 9.6
5 61,5 12.3
6 65 13
7 76,5 15.3
8 92 18.4
9 100 20
38
2.2.3. Fallos en rodamientos
Los fallos en rodamientos pueden darse por un montaje inadecuado, una inadecuada
lubricación, por ingreso de partículas externas, flexión excesiva del eje o una combinación
de estas causas. Si se examina solo la parte en la que se presentó el problema, será complicado
determinar la causa del mismo, entonces, si se conoce las características de funcionamiento
de la máquina, como sus condiciones de trabajo, la configuración de sus elementos, la
situación anterior de funcionamiento, se puede interrelacionar estas características con el
daño en el rodamiento y posibilitar la prevención de que estos daños se vuelvan a repetir [43].
Figura 2. 4. Fallos en rodamientos. Fuente [37].
39
En la figura 2.4, se aprecia una clasificación general de daños que pueden presentarse en
rodamientos.
2.2.4. Construcción de fallos en los rodamientos
Los fallos construidos en los rodamientos fueron severos, se utilizaron tres rodamientos con
fallos en sus componentes como fueron.
Fallo en la pista externa
Fallo en la pista interna
Fallo en el elemento rodante
Los fallos fueron construidos en rodamientos de tipo NTN 6005LLUC3/2AS los cuales son
utilizados en la caja de engranajes. En la tabla 2.4 se indican los fallos construidos en
rodamientos con sus respectivas medidas.
Tabla 2. 4. Datos constructivos de fallos en los rodamientos.
Rodamientos NTN 6005LLUC3/2AS
Pista interior
Picadura de 2.0 mm de
diámetro y
profundidad de
0.2 mm
40
Pista exterior Picadura de 2.0mm de
diámetro y
profundidad de
0.2 mm
Elemento rodante
Una picadura en la bola
de 2.0 mm de diámetro
y cono de 120°
2.3. Configuración del conjunto de fallos en el sistema mecánico
rotativo
La configuración del conjunto de fallos se realizó de acuerdo al plan experimental
presentado por los colaboradores del centro de investigación para la utilización de los fallos
fabricados en los engranajes y en rodamientos disponibles en el laboratorio, con más detalle
se describen los planes experimentales en el capítulo 3. Las consideraciones que se tomaron
en cuenta antes de levantar los datos de señales de vibraciones mecánicas y acústicas,
fueron las siguientes:
1. Verificar que el motor con la caja de engranajes estén alineados con el objeto que no
surjan datos erróneos en la adquisición de datos.
2. El montaje de los elementos en la caja de engranajes debe hacerse con el mismo
procedimiento para todas las pruebas del ensayo.
41
3. Verificar que las señales obtenidas con los elementos en buenas condiciones sean las
correctas, que no presenten filtraciones como ruido eléctrico y bandas que indiquen fallas
en el espectro de vibración.
4. Una vez obtenidas las señales de vibraciones mecánicas y acústicas correctas con los
elementos de la caja de engranes en buenas condiciones se procederá con el plan
experimental de toma de señales para la base de datos.
42
43
3. TOMA DE LA BASE DE DATOS DE LAS SEÑALES DE LAS VIBRACIONES
MECÁNICAS Y ACÚSTICAS
3.1 Descripción de los equipos para la medición de las señales
Es necesario la descripción de los equipos que sirven para la toma de señales para con sus
características manipularlos correctamente.
La descripción de estos equipos utilizados para el proceso de la toma señales se describe con
detalle en el trabajo de tesis “Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones
mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos
y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos” [39], por lo tanto
se describe brevemente en la tabla 3.1.
Tabla 3. 1. Equipos para la medición de señales.
Equipos Descripción Imagen
Tarjeta de adquisición
de datos
DAQ Instruments, módulo de
4 canales, chasis con código
NI cDAQ-9191, envía los
datos por vía Ethernet o WI-
FI, rango dinamico de 102 dB.
44
2 Acelerómetros
Uniaxial PCB 352C03,
sensibilidad 10.06 mV/g,
rango de medición ± 500 g pK,
rango de medición (± 5%) 0.5
a 10000 Hz, frecuencia de
resonancia ≥ 50KHz.
Software
Diseñado en LabView, capaz
de variar carga, velocidad,
tiempo de muestreo,
frecuencia de muestreo,
numero de muestras por
prueba.
Unidad de carga
Sistema de freno
electtromagnético, ROSATI,
Tipo 120-701541, 8.83kw.
[39].
Controlador de carga
TDK-Lambda, GEN 1500W,
imputRating:b100-240v, 19A,
50/60Hz.
45
Variador de frecuencia
Marca DANFOSS, modelo
FC302 / MCB102, 220VAC,
60HZ,Potencia 2HP.
3.1.1 Software de adquisición de datos
En la figura 3.1, se muestra el software que se usa para la adquisición de datos y la variación
de parámetros de la misma.
Figura 3. 1. Software de adquisición de datos.
Este software fue realizado en LabVIEW y es capaz de realizar configuraciones como
variación cargas, velocidad, numero de repeticiones, numero de prueba, tiempo de la toma
de señal, para luego estas señales pasarlas al formato .mat mediante una interfaz al programa
MATLAB, posteriormente MATLAB entrega espectros de tipo FFT (figura 3.2), FTT
(figura 3.3), Kurt (figura3.4), señal original de T-F (figura 3.5) y de resonancia (figura 3.6),
como se muestra en las siguientes figuras, posteriormente estos espectros son analizados por
46
los doctores Grover Zurita Villarroel PhD experto en el tema de “Análisis de vibraciones”,
Mariela Cerrada Lozada PhD experta en la “Detección de fallos en procesos industriales”, Chuan
Li PHD “experto en detección de fallos y análisis de vibraciones”.
Figura 3. 2. Espectro FFT.
Figura 3. 3. Espectro FFT de envolvente.
47
Figura 3. 4. Espectro de kurtosis.
Figura 3. 5. Espectro de la señal original.
48
Figura 3. 6. Espectro demodulación de resonancia.
3.2 Protocolo para la toma de señales
A continuación se describe el procedimiento para la toma de señales de vibraciones
mecánicas y acústicas y las consideraciones que se deben tomar para una toma de datos
correcta debido a que de no hacerlo tendríamos señales erróneas.
3.2.1 Procedimiento y consideraciones para la toma de datos
Existe consideraciones importantes que se debe tomar en cuenta antes de la toma de datos
que pueden influir en los resultados obtenidos, estas consideraciones se muestran en la tabla
3.2.
49
Tabla 3. 2. Consideraciones antes de la toma de datos.
Consideración Descripción
51412 (Gulf EP Lubricant HD 220).
Nivel de aceite
35% de la totalidad de la caja de engranajes
asegura el contacto de 3 ruedas dentadas
con el aceite [44].
Tipo de lubricación Por salpicadura [44].
3.2.2 Ubicación de los acelerómetros
Para la ubicación de los acelerómetros debe ser mediante una norma y tener las
consideraciones siguientes.
La medición de vibración está contemplada por la norma ISO10816-3, esta norma enuncia
máquinas de engranajes y rodamientos tipo reductores, también que la posición de los
acelerómetros debe ser en una parte segura no rotatoria de la máquina para el montaje y
desmontaje [45].
Los acelerómetros para engranajes helicoidales de acuerdo con la norma deben ser colocados
de forma vertical y horizontal al engranaje como se muestra en la figura 3.7, [46][47].
SAE 40 elegido debido a la norma DIN Tipo de aceite
50
Figura 3. 7. Colocación de los acelerómetros en una caja de engranajes. Fuente: [39].
3.2.3 Ubicación del sensor acústico
El sensor acústico es colocado lo más cerca de la posición de la fuente de emisión acústica,
su montaje es realizado mediante una cera especial que es lo que le mantiene adherido a la
superficie en la entrada de movimiento de la caja de engranajes como se muestra en la figura
3.8 [48].
Figura 3. 8. Ubicación del sensor acústico.
Sensor
acústico
51
3.2.4 Alineación en dos planos entre el motor y el eje principal de la caja de
engranajes
La alineación es un factor importante dentro de la toma de datos, debido a que en el caso de
que exista desalineación provocara señales adicionales no deseadas en la toma de datos.
En la figura 3.9, se muestra como se realizó la alineación paralela y angular entre el acople
del motor y de la caja de engranajes con la ayuda de un reloj comparador mitutoyo de
resolución de 0.001 mm.
Figura 3. 9. Alineación en dos planos.
Luego del montaje de los elementos mecánicos, la conexión de los equipos eléctricos y la
preparación del banco de pruebas, se procede a la toma de las señales para la base de datos
de acuerdo con el plan experimental.
52
3.3 Base de datos
3.3.1 Base de datos 1
En la primera base de datos se utilizó engranajes rectos con simulación de fallos y
características mostradas en la tabla 3.3 y montadas en una etapa de la caja de engranajes.
Tabla 3. 3. características y descripción de engranajes rectos.
3.3.1.1 Plan experimental engranajes rectos
La configuración de la caja de engranajes se muestra en la figura 3.10.
gears Módule number
of teeth
Pitch
diameter
(mm)
Outside
diameter
(mm)
Inner
Diameter
(mm)
Tooth
Height
(mm)
Tooth
width
(mm))
Z2 y Z3 2.5 53 119.25 123.75 36.5125 5.062 20
Z4 2.5 80 180 184.5 36.5125 5.062 20
53
Figura 3. 10. Configuración de la caja de engranajes, base de datos 1.
A continuación se muestra el plan experimental para la toma de datos.
3.3.1.2 Canales de adquisición de datos
(1) Accelerometer 1 (A1)
(2) Accelerometer 2 (A2)
(3) Real Frequency
(4) Voltage
(5) Current
54
3.3.1.3 Captación de señal
(1) Sampling frequency: 50kHz (for accelerometer)
(2) Length of each sample: 10 Sec
(3) Repetition of the tests: 5 times for each test (R1, R2, … , R5)
(3) Rotation Frequency (constant speed): 8Hz (F1), 12Hz (F2), 15Hz (F3)
(4) Range Frequency (variable speed): 12-18Hz (V1), 5-12Hz (V2), 8-15Hz (V3)
(5) Loads: No Load (L1), 10V (L2), 30V (L3).
3.3.1.4 Patrones de fallas
El patrón de fallas determina los parámetros de cada prueba como es, la clase de falla en el
piñón, clase de falla en el engranaje, y el número de prueba, como se muestra a continuación.
(1) Healthy pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (H01H02, P1)
(2) Chaffing tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear, (Z4) (D01H02, P2)
(3) Wear tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (W01H02, P3)
(4) 25% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B11H02, P4)
55
(5) 50% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B21H02, P5)
(6) 100% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), healthy gear (Z4), (B31H02, P6)
(7) Healthy pinion (Z3-Z2), crack 25% gear (Z4), (H01C12, P7)
(8) Healthy pinion (Z3-Z2), crack 100% gear (Z4), (H01C22, P8)
(9) Healthy pinion (Z3-Z2), Chaffing 50% gear (Z4), (H01D02, P9)
(10) 25% Breakage tooth pinion (Z3-Z2), crack 25% gear (Z4), (B11C11, P10)
3.3.1.5 Conjunto de datos
En la tabla 3.4, se muestra los parámetros variables de la prueba, donde cada repetición será
sometida a una variación de frecuencia, carga, y fallo diferente.
Tabla 3. 4. Variables para el conjunto de datos de la base de datos 1.
Channe
l
Repetition Frequency Loads Faults
A1 R1 F1 L1 P1
A2 R2 F2 L2 P2
R3 F3 L3 P3
R4 V1 P4
R5 V2 P5
V3 P6
P7
P8
P9
P10
56
Por ejemplo, el nombre del archivo R1F1L1P1.mat significa la repetición 1, 8 Hz, sin carga,
piñón sin fallo y engranaje sin fallo.
De esta manera, tenemos 5 * 6 * 3 * 10 = 900 conjunto de datos.
La descripción de fallos en detalle, la construcción de fallos y la nomenclatura en engranajes
rectos se describe en la tesis “Establecimiento de una base de datos de señales de vibraciones
mecánicas para sistemas mecánicos rotativos con la combinación de diferentes tipos de fallos
y elaboración de guías de prácticas para detección de fallos en rodamientos” [39].
La tabla 3.5 muestra las características de las fallas en engranajes rectos utilizadas.
57
Tabla 3. 5. Descripción de fallos.
Chaff
ing alo
ng t
he
tooth
face
of1
00%
1 m
m d
epth
2.5
mm
wid
th
Tooth
bre
aka
ge
of
25%
Tooth
bre
aki
ng o
f 50%
,
crack
angle
45
Esc
ori
ado a
lo l
argo d
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cara
del
die
nte
, al
100 %
Pro
fun
did
ad d
e 1 m
m
Anch
o 2
.5 m
m
Rotu
ra d
el d
iente
al
25 %
Rotu
ra d
el
die
nte
al
50 %
,
ángulo
de
la g
riet
a a
45
Z2_2_3
Z2_3_1
Z2_3_2
58
Tooth
bre
aka
ge
of
100 %
WH
EE
L G
EA
R 3
Wea
r, t
wo g
roove
lanes
alo
ng o
f th
e to
oth
face
.
0.4
mm
dep
th
0.7
mm
wid
th
0.3
mm
lin
e sp
aci
ng
Rotu
ra d
el d
iente
al
100 %
RU
ED
A D
EN
TA
DA
3
Des
gas
te, 2 l
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s a
lo l
argo
de
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del
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Pro
fundid
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mm
Anch
o 0
.7 m
m
Sep
arac
ión e
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s
0.3
mm
Z2_3_3
Z3
Z3_2_1
59
WH
EE
L G
EA
R 4
Chaf
fing o
f 50%
.
0.7
mm
alo
ng t
he
tooth
pro
file
.
8 m
m a
cross
of
the
tooth
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0.5
mm
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To
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rack
of
4 m
m t
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5°
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th.
RU
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A D
EN
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4
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0.7
mm
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8 m
m a
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la c
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del
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0.5
mm
de
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fundid
ad
Gri
eta
de
4 m
m a
45°
y 2
5%
de
pro
fundid
ad
Z4
Z4_2_1
Z4_3_1
60
C
rack
alo
ng t
ooth
of
100%
1 m
m w
idth
4 m
m d
epth
Gri
eta
a lo
lar
go d
el d
iente
,
al 1
00%
Anch
o 1
mm
Pro
fundid
ad 4
mm
Z4_3_2
61
3.3.2 Base de datos 2
En la segunda base de datos se utilizó engranajes helicoidales con simulación de fallos y
características mostradas en la tabla 3.6, montadas en 2 etapas de la caja de engranajes.
Tabla 3. 6. Características y descripción de engranajes helicoidales.
Engranajes Módulo Número
dientes
∅(ángulo
de
presión)
𝝍(ángulo
de hélice)
Z1 2.25 30 20 20
Z2 y Z3 2.25 45 20 20
Z4 2.25 80 20 20
La configuración de la caja de engranajes para engranajes helicoidales se muestra en la figura
3.11.
62
Z2
Z2-Z4
Z1-Z3
Striped and Chafing
Teeth breaking
Fault for wear
Surface fatigue
Z1
Figura 3. 11. Configuración de la caja de engranajes base de datos 2.
Z4
Z3
63
3.3.2.1 Plan experimental engranajes helicoidales
A continuación se muestra el plan experimental para la toma de datos.
3.3.2.1.1 Canales de adquisición de datos
(1) Accelerometer 1 (Acc1)
(2) Accelerometer 2 (Acc2)
(3) Acustic (AE1)
3.3.2.1.2 Captación de señal
(1) Sampling frequency: 50kHz (for accelerometer and acustic sensor)
(2) Length of each sample: 10 Sec
(3) Repetition of the tests: 5 times for each test (R1, R2, … , R5)
(3) Rotation Frequency (constant speed): 8Hz (F1), 12Hz (F2), 15Hz (F3)
(5) Loads: No Load (L1), 10V (L2), 30V (L3).
(4) Real Frequency
(5) Voltage
(6) Current
64
3.3.2.1.3 Patrones de fallas
El patrón de fallas determina los parámetros de cada prueba como es, la clase de falla en el
piñón, clase de falla en el engranaje, y el número de prueba, como se muestra a continuación.
(1) Healthy Z1, Z2, Z3, Z4, B (HHHHH, P1)
(2) Wear Z1, healthy Z2, Z3, Z4, B (WHHHH, P2)
(3) Chaffing Z2, healthy Z1, Z3, Z4, B (HDHHH, P3)
(4) Pitting Z3, healthy Z1, Z2, Z4, B (HHPHH, P4)
(5) Wear Z3, healthy Z1, Z2, Z4, B (HHWHH, P5)
(6) Crack Z4, healthy Z1, Z2, Z3, B (HHHCH, P6)
(7) Chaffing Z4, healthy Z1, Z2, Z3, B (HHHDH, P7)
(8) Inner race B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHI, P8)
(9) Out race B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHO, P9)
(10) Ball B, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HHHHB, P10)
(11) Misalingment shaft Z2Z3, healthy Z1, Z2, Z3, Z4 (HMMHH, P11)
65
3.3.2.1.4 Conjunto de datos
En la tabla 3.6, se muestra los parámetros variables para la prueba, donde cada repetición
será sometida a una variación de frecuencia, carga y fallo diferente.
Tabla 3. 7. Variables para el conjunto de datos de la base de datos 2.
Channel Repetition Frequency Loads Faults
Acc1 R1 F1 L1 P1
Acc2 R2 F2 L2 P2
AE1 R3 F3 L3 P3
R4 P4
R5 P5
P6
P7
P8
P9
P10
P11
Por ejemplo, el nombre del archivo R1F1L1P1.mat significa la repetición 1, 8 Hz, sin carga,
Z1 saludable, Z2, Z3, Z4, B.
En la tabla 3.7, se muestra las características de las fallas en engranajes rectos y rodamientos
utilizadas.
De esta manera, tenemos 5 * 3 * 3 * 11 = 495 conjunto de datos.
66
Tabla 3. 8. Fallas en engranajes helicoidales.
GEAR TYPES OF
FAULTS FEATURES PICTURES
Z1[49] Fault for wear
Lines together with a depth of
0.30 mm in the totality of the
tooth face, 0.5mm of width,
0.30mm of separation between
each line
Z2[37] Striped and
chafing
Chafing destructive
2 mm Profile along the tooth, 10
mm trought the tooth face, depth
of 0.25 mm
Z3[50] Surface
fatigue
Pitting
1 mm the width of the tooth face,
0.8 mm of width, 0.075 mm of
depth
67
Wear
Wear of 2 línes along from tooth
face, depth 0.4 mm, width 0.7
mm, line spacing 0.7 mm
Z4
Tooth
breakage
Fissure on 2 mm teeth to
15% of profundity and angle
of 45°
Striped and
Chafing
1.2 mm along from tooth (wifth
of chafing), across of tooth face
(or every tooth), depth 0,025
mm
B1 PITTING
Inner race of 2.0 mm of
diameter and 0.2mm of
depth
68
B2 PITTING Out race 2.0mm of diameter
and 0.2mm of depth
B3 PITTING
Ball and bearing cage
2.0 mm of diameter and cone
of 120°
69
70
4. ELABORACIÓN DE GUÍA DE PRÁCTICAS
4.1 Introducción
En este capítulo se realiza una guía de prácticas sobre el balanceo estático usando el equipo
ADASH 4400, el mismo detectara el desbalanceo en un rotor entre apoyos para mediante
pesas corregir este defecto.
4.1.1. Descripción del banco de pruebas para la guía de practicas
En la figura 4.1, se muestra el banco de pruebas donde se analiza el balanceo, en esta figura
se muestra 2 chumaceras que en las mismas se encuentran dos rodamientos de bolas de doble
hilera, las mismas que soportan el eje de transmisión y este soporta un disco con un
desbalanceo leve, el eje está conectado a un motor de 2 hp mediante un acople de aluminio,
el motor está conectado a una unidad de control que controla al sistema mediante un
computador portátil.
Figura 4. 1. Banco de pruebas.
71
En la tabla 4.1, se muestra el disco para la práctica de balanceo y sus características, el mismo
que es montado en el eje de transmisión por un anillo cónico que asegura alineación en su
montaje.
Tabla 4. 1. Disco para balanceo y sus elementos de montaje.
Descripción Elemento
Disco de 158 mm de diámetro por 17 mm
de espesor con agujero cónico de 35 mm
de diámetro (3.36 grados de cono)
Anillo con cono sueco marca SKF de
3.36 grados de rápido montaje
Jaula para evitar giro del cono
72
Tuerca de sujeción del disco
Para mayor información de los elementos mostrados en la figura 4.1, ver [39].
4.2 Equipo analizador ADASH 4400 para prácticas de balanceo
Este equipo mostrado en la figura 4.2, tiene la capacidad de analizar espectros de vibración
mecánica, acústica, desalineación, balanceo, detección de fallos en elementos de una
maquina rotativa, entre otras funciones. El equipo VA4Pro para balanceo incluye muchas
funciones especiales internas, que eliminan la influencia del ruido, como cambios de
velocidad, por ejemplo.
Figura 4. 2. Analizador ADASH 4400
73
En la figura 4.3. (a) (parte superior del equipo) se puede observar la salida de audio (phones),
entrada de acelerómetros (in1, in2, in3, in4, trig), botón de encendido (power), mini USB
(data), USB, Entrada de la fuente de energía eléctrica para cargar el equipo (bat), y en la la
figura 4.2. (b) los botones de control.
a) b)
Figura 4. 3. Analizador ADASH 4400 esquema. Fuente:[51].
En la figura 4.4, se muestra el cable que sirve para conectar el acelerómetro al Adash 4400.
Figura 4. 4. Conector y Acelerómetro.
En la figura 4.5, se muestra el tacómetro que se conecta en el trigger del Adash, este mide
las revoluciones del rotor en RPM.
74
Figura 4. 5. Conector y tacómetro
En la figura 4.6, se muestra la pantalla principal del equipo ADASH donde está el menú para
seleccionar el tipo de análisis que se desea realizar y a su alrededor los botones de control
para configurar el equipo.
En la parte derecha se tiene las flechas direccionales para mover el cursor y/o seleccionar
opciones, más el botón (ok) que sirve para aceptar o ingresar en una opción.
En la parte inferior se encuentra los botones de configuración para la selección de los canales
por donde entra las señales, luego está el botón global que sirve para ingresar parámetros
para todas o algunas funciones, a lado derecho del botón global está el botón de apagado del
equipo.
Figura 4. 6. Pantalla de inicio del equipo ADASH 4400. Fuente: [51].
75
Para el uso de este equipo se debe tomar en cuenta algunos parámetros antes de iniciar un
proyecto.
Batería cargada al 50% o superior
Fuente de carga de 5v
Todos los conectores libres de polvo o suciedad
Montaje de los acelerómetros con cuidado
Limpieza del equipo y libre de humedad
Para mayor información sobre este equipo revisar [39].
4.3 Guía de prácticas para balanceo estático de un sistema mecánico rotativo
Esta guía de practica tiene como objetivo el aprendizaje didáctico y básico de manera fácil
para balancear un sistema rotativo para los alumnos de la universidad politécnica salesiana.
Para la realización de la práctica se necesita los conocimientos previos para el manejo del
equipo.
4.3.1. Pasos para crear un nuevo proyecto.
Para crear un Nuevo Proyecto de análisis de desbalanceo se debe conocer una ruta para luego
ingresar parámetros que debemos cambiar para configurar el análisis.
Desde la pantalla de inicio del equipo, se debe seleccionar “equilibrado”, con las flechas
direccionales presionamos “OK”(luego de seleccionar la tarea que se requiere se coloca
76
“OK” cada vez), posteriormente se pulsa en la parte inferior “proyecto”, luego seleccionar
nuevo, dar el nombre al proyecto y pulsar “OK”, ingresar al proyecto.
Para la configuración del proyecto creado se debe tener en cuenta algunos tipos de
desbalanceo que se pueda tener como:
4.3.2. El desbalance
Un elemento esta desbalanceado cuando su centro de gravedad no coincide con su centro
geométrico, esta condición es causada por una distribución desigual del peso del rotor
alrededor de su centro geométrico. Esta condición de desbalance genera una vibración y se
presenta a una frecuencia de 1xRPM del elemento rotatorio desbalanceado. También es uno
de los mayores problemas de vibración de la industria con aproximadamente 40% de los
casos de vibraciones excesivas [52][53].
Existen diferentes tipos de desbalances que podrían cambiar los parámetros en el proyecto
de balanceo como se muestra en la tabla 4.2.
Tabla 4. 2. Tipos de desbalanceo. Fuente: [53].
Tipo de desbalance Descripción Grafico
Desbalance estático
Se produce cuando el
longitudinal de inercia del
rotor está desplazado
paralelamente con respecto al
eje de rotación
77
Desbalance par
Desbalance casi estático
Se produce cuando el
longitudinal de inercia del
rotor intercepta al eje de
rotación en
un punto arbitrario o sea, un
punto que no coincide con el
centro de masa del propio
rotor.
Desbalance dinámico
Se produce cuando el eje
longitudinal de inercia del
rotor no intercepta al eje de
rotación y tampoco es
paralelo a éste, se puede decir
también que el eje
longitudinal principal de
inercia del rotor cruza al eje
de rotación del propio rotor
Se produce cuando el
longitudinal de inercia del
rotor intercepta al eje de
rotación en el centro de
masas del propio rotor.
78
A continuación se muestran algunos tipos de espectros para diferentes desbalances:
En la figura 4.7, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en
un plano.
Figura 4. 7. Espectro de desbalance en un plano. Fuente: [53].
En la figura 4.8, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en
dos planos.
Figura 4. 8. Espectro de desbalance en dos planos. Fuente: [54].
En la figura 4.9, se muestra el espectro amplitud vs frecuencia para un eje desbalanceado en
voladizo.
79
Figura 4. 9. Espectro de desbalance en voladizo. Fuente: [54].
4.3.3. Configuración del proyecto
La figura 4.10, ilustra las opciones que se puede tener en la configuración del proyecto para
balanceo, donde que puede variar la opción de configuración dependiendo del tipo de
balanceo que se tenga en el sistema rotario.
Figura 4. 10. Configuraciones básicas de balanceo. Fuente: [51].
En esta configuracion se encuentra algunos parametros mostrados en la tabla 4.3, que
dependiendo el tipo de desbalance se puede cambiar.
80
Tabla 4. 3. Parámetros para la configuración del proyecto. Fuente: [51].
Parametro Descripción
Planes Número de discos o rotores (uno o dos)
Image Posición de los rotores o discos, pueden ir
entre apoyos o en voladizo
Rotation Define el sentido de giro
Look Dirección del rotor
Inputs Número de canales (uno o dos)
Channel Canal de entrada de señal
Remove trial Las masas de prueba se pueden dejar en el
rotor o eliminarlas después de la prueba
Balancing masses Se puede agregar masas o quitarlas
Blades Los rotores pueden ser con paletas o solo
discos
Meas mode Indica el modo de medición, existe el
modo único, que permite tomar solo un
valor de medición y existe la medida en
81
línea que permite tener más de una medida
una luego de otra
Avg Permite sacar promedios de los valores
medidos
Resolution Amplifica la resolución para el rango de
análisis del proyecto
4.4 Validación de la guía de prácticas
El formato para evaluar las guías de prácticas, ejecutadas por los estudiantes, analiza ciertos
puntos como son:
Logros de aprendizaje
Estructura básica
Estrategia metodológica
Materiales educativos
La “Ficha de valoración de guías de práctica” se muestra en [39], en la cual se presenta una
evaluación de 21 puntos como máxima, para la aprobación de la guía de práctica como
válida se debe obtener una calificación superior al 85% de los puntos.
La evaluación realizada por cada estudiante a las guías de prácticas se presenta en el Anexo
82
4.4.1. Evaluación
Se evaluaran los puntos mencionados y los indicadores en la fuente [39], y se les
proporcionaran un puntaje, el cual deberá cumplir según el reglamento Universitario con el
70% aprobado.
ESCALA EQUIVALENCIA PUNTAJE
Sobresaliente Cumple óptimamente con lo previsto en el indicador 3
Satisfactorio Cumple satisfactoriamente con los requerimientos del
indicador
2
Insatisfactorio Cumple parcialmente con los requerimientos del indicador
1
Deficiente No cumple 0
LABORATORIO DE INGENIERÍAS
LABORATORIO DE MECÁNICA
FICHA DE VALORIZACIÓN DE LA GUÍA DE PRÁCTICAS
Nombre de la práctica:
Fecha:
Hora de inicio: Hora de termino:
83
Señalar con una “X” dentro del cuadro de la escala de valoración, según el valor que crea
aceptable.
INDICADOR ESCALA DE
VALORACIÓN
GUÍA DE PRÁCTICAS A REALIZARSE 3 2 1 0
1. Logros de Aprendizaje
1.1 Los autores de las guías de prácticas proponen lecturas sobre el tema
y facilitan las lecturas de forma impresa.
1.2 Los objetivos de la guía de práctica son mencionados de forma clara
y precisa.
2. Estructura Básica
2.1 La guía de práctica contiene una estructura teórica explicativa para
la persona encargada de elaborar la práctica.
3. Estrategia Metodológica
3.1 Los autores de las guías de prácticas establecen una serie de procesos
y procedimientos lo suficientemente entendibles para que la práctica sea
factible.
3.2 Los autores de las guías de prácticas proponen acciones o procesos
de aprendizaje: observar, investigar, analizar, sintetizar.
4. Materiales Para La Práctica
4.1 Son factibles las máquinas, equipos, herramientas, software durante
la ejecución de la práctica.
4.2 Las máquinas, equipos, herramientas, software entre otras disponen
su correcto funcionamiento durante la ejecución de la práctica.
PUNTAJE
FINAL
84
4.4.2. Datos evaluador
Nombre:
Ocupación: Estudiante Personal de industria
EN CASO DE SER ESTUDIANTE
Universidad:
Carrera:
Ciclo:
EN CASO DE SER PERSONAL DE LA INDUSTRIA
Profesión:
Empresa donde labora:
Cargo en la empresa:
Firma:
85
4.4.3. Resultados de la práctica
Los resultados de la práctica se verán reflejados en las conclusiones y en la evaluación de la
práctica, establecidas por los estudiantes.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
El aporte de este proyecto permite abordar temas referentes al monitoreo de la
condición, el monitoreo de señales de vibraciones mecánicas y acústicas aplicadas a
un sistema mecánico rotativo, como es una caja de engranajes helicoidales en el
laboratorio de vibraciones de la Universidad Politécnica Salesiana.
Se levantó 495 muestras de señales de vibraciones mecánicas y acústicas para
distintos fallos en engranajes helicoidales y rodamientos en una caja de engranajes a
diferentes cargas y velocidades, esté experimento es un gran aporte al estudio en este
campo para diagnóstico y detección de fallos en sistemas mecánicos rotativos.
Se realizó la construcción de distintos fallos en engranajes helicoidales y rodamientos
en una caja de engranajes del laboratorio de vibraciones, para realizar trabajos y
pruebas referentes a este campo de vibraciones mecánicas y acústicas.
Se estableció planes experimentales donde se indican las nomenclaturas, el tipo de
fallos en engranajes y rodamientos utilizados en cada prueba. Estos planes
experimentales están en inglés, de manera que sea asequible a los investigadores que
deseen hacer algún ensayo en este campo.
La guía de práctica desarrollada es un aporte para estudiantes de pregrado y personal
de la industria, para que fortalezcan sus conocimientos en el área de mantenimiento
predictivo, con el uso del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro.
86
RECOMENDACIONES
Se recomienda modificar el diseño de la caja de engranajes con el fin de que al
momento de hacer las pruebas sus elementos sean de fácil intercambio y se puedan
utilizar los mismos elementos en diferentes configuraciones.
Realizar la construcción de distintos engranajes helicoidales, verificando la relación
de trasmisión en las etapas, para que no exista contacto repetitivo entre dientes.
TRABAJOS FUTUROS
• Se puede realizar un experimento referente al levantamiento de señales de vibraciones
mecánicas y acústicas, con el uso de fallos en engranajes helicoidales y en rodamientos
combinando los mismos y en un sistema mecánico rotativo con más elementos.
• Se puede realizar un ensayo con fallos progresivos, como es la rotura de un diente en
un engranaje helicoidal hasta la rotura total, para estudios de análisis de severidad de fallos
en engranajes.
87
BIBLIOGRAFÍA:
[1] J. L. GÓMEZ, G. A. RODRÍGUEZ, J. E. TORRES, and S. E. DÍAZ, “Enseñanza
Teórico – Práctica de Vibraciones Mecánicas Aplicadas,” Lat. Am. Caribb. J. Eng.
Educ., vol. 2, no. 2, Feb. 2013.
[2] C. ALTMANN, “Las técnicas de monitoreo de condición, como herramienta del
Mantenimiento Proactivo.”
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vibraciones/desequilibrio/tipos_desequilibrio.html.
91
92
ANEXOS:
BALANCEO ESTÁTICO DE UN ROTOR ENTRE APOYOS EN UN
SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO
Cristian Muñoz, Genaro Vera, estudiantes de la Carrera de Ingeniería Mecánica, correo electrónico:
[email protected] y [email protected]
Universidad Politécnica Salesiana, carrera de Ingeniería Mecánica
Asignatura: Mantenimiento, Cuenca Ecuador, Fecha de entrega:
5. Presentación de la práctica
En esta práctica, mediante el análisis de medidas de amplitud y peso, se detectará el
desbalance en un rotor montado entre apoyos en un sistema rotativo mecánico utilizando el
analizador de vibraciones ADASH VA4Pro.
6. Requisitos y precauciones
Requisitos:
Para el desarrollo de la presente práctica, se requiere adquirir los conocimientos previos en
vibraciones y desbalanceo que pueden ser obtenidos de la lectura de las siguientes fuentes:
User Manual-Adash 4400 VA4Pro pág. (6-8) y (61-75) [1].
Protocolo para el balanceo dinámico de un ventilador con el analizador de
vibraciones detector III pág. 22-34 [2].
Precauciones:
El estudiante debe tener en consideración algunas precauciones antes de desarrollar la respectiva
práctica.
Antes de encender el banco de vibraciones verificar que los cables de los acelerómetros
no estén en contacto con los elementos rotativos del banco de vibraciones.
Verificar que la batería del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro se encuentre
con una carga mayor al 50% por recomendación del fabricante.
93
Usar mandil y gafas.
7. Objetivos
Obtener la señal de vibración producida por el desbalance mediante Adash 4400
VA4Pro
Detectar el grado de desbalance en el rotor
Manejar el equipo Adash 4400 VA4Pro para balanceo estático del rotor.
Corregir el desbalance estático de un rotor
8. Equipos, instrumentos y software
Tabla 1. Equipos, instrumentos y software
Descripción Marca Serie
Banco de vibraciones
Unidad de control eléctrico
PC portátil HP Pavilion G4
Analizador de vibraciones ADASH VA4Pro
Acelerómetro ADASH A 102-A1
Software – control de
velocidad
Balanza digital ERBESSD
94
9. Exposición
1.8 Introducción al desbalance
Un elemento esta desbalanceado cuando su centro de gravedad no coincide con su centro
geométrico, esta condición es causada por una distribución desigual del peso del rotor
alrededor de su centro geométrico. También es uno de los mayores problemas de vibración
de la industria con aproximadamente 40% de los casos de vibraciones excesiva [2][3].
Existen diferentes tipos de desbalances que podrían cambiar los parámetros en el proyecto
de balanceo como se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Tipos de desbalanceo. Fuente: [2].
Tipo de desbalance Descripción Grafico
Desbalance estático
Se produce cuando el eje longitudinal
de inercia del rotor está desplazado
paralelamente con respecto al eje de
rotación.
Desbalance par
Se produce cuando el longitudinal de
inercia del rotor intercepta al eje de
rotación en el centro de masas del
propio rotor.
Desbalance casi
estático
Se produce cuando el longitudinal de
inercia del rotor intercepta al eje de
rotación en un punto arbitrario o sea,
un punto que no coincide con el
centro de masa del propio rotor.
95
Desbalance dinámico
Se produce cuando el eje longitudinal
de inercia del rotor no intercepta al eje
de rotación y tampoco es paralelo a
éste, se puede decir también que el eje
longitudinal principal de inercia del
rotor cruza al eje de rotación del
propio rotor
Para el balance no es necesario determinar el tipo de desbalance que presenta el rotor, sin
embargo la tabla 3 muestra como una guía como determinarlo puesto que en ocasiones se
tiene desbalance en dos planos como son el desbalance par, el dinámico y el casi estático.
Tabla 3. Determinación de desbalanceo. Fuente: [2].
Puesto que el desbalance de un rotor produce vibración, el valor de la medida de amplitud
del desplazamiento pico a pico cambiara dependiendo de cuán grande sea el desbalance, y
considerando que un rotor jamás va a estar completamente balanceado al 100%, se necesita
un rango de aceptación como se muestra en la tabla 4.
Por ejemplo si tenemos una velocidad de rotación de 1000 RPM, de acuerdo con la tabla
4, en el límite aceptable de amplitud es una velocidad RMS de 2, la intersección de estas 2
líneas se extiende con una horizontal hacia el valor de desplazamiento pico-pico en
aproximadamente 4 micras que es la amplitud aceptable o 0.004 mm/s.
Esta tabla según varios autores es una derivación de la tabla de Rathbone.
96
Tabla 4. Tabla de severidad del Desbalance. Fuente: [2].
97
10. Procedimiento
A continuación se describe el procedimiento para realizar la práctica.
1.1.2 Proceso
Figura 1. Proceso para el balance del rotor con ADASH VA4Pro.
1.1.3 Procedimiento
A continuación se describe el procedimiento para el desarrollo de la práctica.
INICIO
Configuracion del banco de pruebas
Montaje del rotor
Configuración del analizador de vibraciones ADASH VA4Pro
Montaje del acelerómetro
Medicion de vibración
Balanceo
98
1.2.5. Banco de pruebas
En la figura 2 (b), se muestra el banco de pruebas y en la figura 2 (a), se muestra la unidad
del control eléctrico del banco de pruebas para la realización de la práctica.
(a) (b)
Figura 2. (a)Unidad de control eléctrico y (b) banco de pruebas.
1.2.6. Configuración del software
1. Encender la unidad de control eléctrico.
2. Encender el computador portátil.
3. Conectar el puerto USB (cable USB color negro).
4. En la unidad de control eléctrico revisar que este activada la luz de “OFF” del variador
de frecuencia DANFOSS.
5. Abrir el software desde el computador portátil, para ello vaya a “INICIO” y seleccione
el software “Labview 32 bits”, luego seleccionar “principal_panel_GDH”.
6. En el software pulsar la opción “STOP” .
7. En las casillas, Load, Frecuency, Repetition, fault, colocar L1, F1, R1, P1,
respectivamente.
Interruptor de
encendido de
carga radial Botón de
emergencia
Interruptor de encendido
o apagado de la unidad
de control
Variador de
frecuencia
DANFOSS
Chumaceras
Disco de balance Acople
Motor
99
8. Luego de realizar las respectivas configuraciones, en el software pulsar la opción “RUN”.
1.2.7. Configuración del analizador de vibraciones
1. Conectar el cable del acelerómetro al canal de entrada 1 del analizador ADASH
VA4Pro, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Conexión del acelerómetro al ADASH VA4Pro.
2. Conectar el cable del tacómetro al canal “trig” del analizador ADASH VA4Pro, como
se muestra en la figura 4.
Figura 4. Conexión del tacómetro al canal “Trig” del ADASH VA4Pro.
100
3. Encender el analizador ADASH VA4Pro con el botón de encendido situado en la
parte superior del equipo.
4. Seleccionar “equilibrado” con las flechas direccionales y pulsar “ok”.
5. Pulsar “proyecto”, pulsar “nuevo”, pulsar “ok”.
6. Introducir nombre del proyecto, pulsar “ok” y entrar en el mismo.
7. Colocar la configuración mostrada en la tabla 5, con ayuda de las flechas
direccionales para desplazarse y del botón “ok” para aceptar, luego pulsar “guardar”.
Tabla 5. Configuración básico para balanceo.
Parámetro Configuración
Planos Único
Imagen Rotor entre apoyos
Rotación Sentido horario
Vista Izquierda
Canal 1
Masas de equilibrado Añadir (montar)
Palas Ninguno
Modo Único
Promedios Off
Resolución Velocidad / 4
8. Pulsar “config. de equilibrado”, seleccionar “config. rotor” y pulsar “ok”.
9. Seleccionar “masa rotor[kg]”, pulsar “ok”, seleccionar “introducir valor”, introducir
número “3” y pulsar “ok”, seleccionar radio de corrección[mm] y pulsar “ok”,
seleccionar “introducir valor”, pulsar “ok”, introducir valor de “55” y pulsar “ok”,
101
seleccionar “grado de calidad del equilibrado” pulsar “ok”, seleccionar “0.4” pulsar
“ok” y pulsar “guardar”.
10. Colocar el tacómetro a nivel y con el láser del mismo tocando el punto de referencia
como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Orientación del tacómetro.
1.2.8. Montaje del acelerómetro
Para el montaje del acelerómetro se debe roscar el mismo en la parte superior de la chumacera
hasta llegar a un apriete suave como se muestra en la figura 7. El ADASH VA4Pro
recomienda colocar el acelerómetro en la chumacera izquierda (Visto en el ADASH VA4Pro
como “vista izquierda”).
Palanca
niveladora
Perilla para
variar la
altura
Punto de
referencia
102
Figura 7. Montaje del acelerómetro.
1.2.9. Balance del rotor
Para el balance del rotor se ilustra el siguiente procedimiento.
Procedimiento:
1. En el variador de frecuencia ubicado en la unidad de control, presionar el botón hand
on ( ) para encender el motor de 2 hp.
2. En la pantalla del medidor de vibraciones ADASH VA4Pro pulsar “medir” 4 veces
y en cada medición anotar los valores de amplitud, fase y velocidad en la tabla 6,
esta medición es la “run 1”.
103
Tabla 6. Configuración de parámetros iniciales del proyecto sin peso.
Parámetro Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Referencia
Amplitud
Fase
Velocidad
3. Una vez tomados los 4 valores tomar el valor que más se repite de amplitud en como
referencia con sus valores de fase y velocidad, luego pulsar la flecha ( ) para pasar
a “run 2”.
4. Apagar el motor presionando en el botón off ( ) del variador de frecuencia.
5. Antes de colocar el peso de prueba en el rotor, pulsar “entrar prueba” y colocar la
cantidad de 20 gr y pulsar “ok”.
6. El peso de prueba colocar a 20 mm del borde externo del rotor y presionar hand on
( ).
7. Pulsar “medir” esperar 10 segundos y pulsar la flecha ( ).
8. Pulsar off ( ) y de acuerdo con la gráfica obtenida como por ejemplo se muestra
en la figura 8, colocar la cantidad de peso en la posición mostrada por el analizador
ADASH VA4Pro con respecto al peso de prueba. Se tiene 2 opciones a realizar:
Colocar la masa indicada en el equipo quitando la masa de prueba.
Colocar la masa sin quitar la masa de prueba (recomendado).
104
Figura 8. Balance del rotor.
9. Pulsar hand on ( ), pulsar pulsar la flecha ( ). posteriormente pulsar “medir”.
10. Repetir los pasos 7,8,9, hasta obtener un valor de amplitud aceptable o límite de
acuerdo con la tabla 4.
11. Luego de conseguir el valor de amplitud aceptable, apagar el banco de pruebas desde
el interruptor de apagado que se muestra en la figura 2.
12. Llenar la tabla 7 de acuerdo a los datos configurados mostrados en la tabla 5 y los
obtenidos.
Tabla 7. Resultados de la práctica.
Proyecto de balance
Datos técnicos
Tipo de rotor:
Numero de paletas:
105
Peso del rotor:
Datos experimentales Iniciales
Velocidad de giro (Refer.):
Amplitud inicial (Refer.):
Fase Inicial (Refer.):
Radio de corrección:
Resultados del experimento
Peso de prueba:
Amplitud final:
Fase final:
Peso admisible:
Número total de pruebas:
Observaciones:
13. Pulsar “cerrar proyecto”, pulsar “pantalla principal”, luego pulsar “apagar”, y
presionar “si”.
14. Desmontar el equipo.
106
11. Resultados
Resultados
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
12. Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Recomendaciones
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
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VALIDACIÓN DE LAS GUÍAS DE PRÁCTICAS EJECUTADAS POR LOS ESTUDIANTES Y PERSONAL DE LA
INDUSTRIA
Guía de prácticas: BALANCEO ESTÁTICO DE UN ROTOR ENTRE APOYOS EN UN SISTEMA MECÁNICO ROTATIVO
Nombre Fecha Universidad Ciclo Carrera Calificación
ANDRÉS CEDILLO 03-03-2015 Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 20/21
JUAN PABLO
MARÍN 03-03-2015
Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 20/21
JORGE LUIS
MATUTE 04-03-2015
Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 18/21
KLEVER ORDOÑEZ 04-03-2015 Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 20/21
FRANKLIN ZHAGUI 03-03-2015 Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 20/21
PATRICIA ARMIJOS 03-03-2015 Personal de la Industria - - 21/21
CHRISTIAN
CAMPOVERDE 04-03- 2015
Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 19/21
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 18/21
Mecánica 19/21
RÓMULO
GUIRACOCHA 06-03-2015
Universidad Politécnica
Salesiana Egresado
Ingeniería
Mecánica 20/21
Universidad Politécnica JUAN ESPINOZA 05-03-2015
Ingeniería EDWIN CORTE 05-03-2015 Universidad Politécnica Sal. Egresado
SALESIANA
SALESIANA
SALESIANA