maq_1-analisis de vibracion para el mantenimiento predictivo de maquinaria

7/27/2019 MAQ_1-Analisis de Vibracion Para El Mantenimiento Predictivo de Maquinaria

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Anlisis de Vibracin para elMantenimiento Predictivo de

Arturo Vargas MercadoGerente de Programa Academico


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Agenda

Introduccin Porqu medir sonido y vibracin?

Parte 1: Sensores Sonido y Vibracin

Parte 2: Acondicionamiento de Seales y A/Ds

Parte 3: Anlisis y Procesamiento de Seales Parte 4: Sistemas: Arquitectura y Casos de Estudio


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Porqu Medir Sonido y Vibracin?

Investigacin y Desarrollo durante la

investigacin y desarrollo , el ruido y vibracin de

un dispositivo se estudian y se intentan reducir

permitiendo mayor vida de servicio al usuario final.

. . , ,


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Desempeo de Audio calidad de bocinas

(audio automotriz/domstico, telfonos celulares),

amplificadores, ecualizadores, etc. caracterizadospor mediciones de respuesta en frecuencia ,

anlisis de distorsin calidad de audio


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Porqu Medir Sonido y Vibracin? Pruebas Estructurales medir la respuesta de

vibracin permite determinar la integridad de laestructura, propiedades de materiales, i.e. fatiga,

ri idez, fracturas


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Porqu Medir Sonido y Vibracin? Control detectar la presencia o cambio de

ruido o vibracin e iniciar acciones apropiadas.

i.e. sistemas de suspensin activos, supresin

de ruido en cabina, o shakers


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Mantenimiento Predictivo tendencias y

anlisis del desempeo de maquinaria para

determinar cundo ser necesario elmantenimiento para evitar fallas catastrficas



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Proteccin de Maquinaria- monitoreo de

vibracin e iniciar alarmas o apagado cuando

los niveles excedan determinado lmite.



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Estrategias de Mantenimiento

REACTIVO ACTIVO


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Modelo del Iceberg


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Curva de condicionesCambio en

la condicin

Vibracin

Ruido

Calor

dicindelamquina

Tiempo

Humo

Paro de

Emergencia

3 meses

2 semanas2 dias

10 min

C

o

Courtesy of FAG Industrial Services


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Tipo de Mantenimiento

Preventative Maintenance

Predictive Maintenance

Salud

de la

mquina

Run to-Failure

Tiempo

ccep a e pera ng one


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MantenimientoPreventivo

ProductionLevel

Paro no programado:FallaParo

programadoParoProgramado

Economa de los paros programados

Time

Time

Mantenimiento

Predictivo

ProductionLevel Paro basado en

condiciones


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Siendo tan importante: Por qu no lohacemos?

Falta de recursos humanos Especialistas en vibraciones

Presupuestos

Equipo costoso


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Componentes de un Sistema de Sonido y Vibracin

Adquisicin

de Datos

Ac

Sensores

Seales de Entrada

Anlisis

o

ndicionamiento

deSeal

A/DSeales de Salida

V


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Adquisicin

de Datos

Ac

Sensores

Seales de Entrada

Anlisis

o

ndicionamiento

deSeal

A/DSeales de Salida

V


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Acelermetros Medir

Aceleracin Velocidad y desplazamiento

(va integracin contra tiempo)

resu a o se expresa en go m s 1 g = aceleracin en la superficie de la Tierra 1 g = 9.81 m/s2

Configuraciones de un eje y tres ejes

Se calibra por medio de un agitador de vibracin


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Acelermetros IEPE Ventajas

Simple y fcil de utilizar

Microelectrnica integrada

Acondicionado con seal de

corriente constante

Conexin Directa

(18-30 VDC ; 2 mA)

Limitantes

Rango de temperatura

mxima de 250 F (algunos325 F)

Sensibilidad fija


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Acelermetros Modo Carga

Ventajas

Temperatura de hasta 1000 F Sensibilidad variable

LimitantesAcondicionamiento

Externo

Requiere acondicionamientoexterno

Necesita cableado bajo en

ruido Sensible a influencias

ambientalesDibujo de PCB, www.pcb.com


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Demo: Medicin de Acelermetro

Demo 2


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Micrfonos Miden

Presin del sonido (una variacin sobre la presinatmosfrica)

(una referencia de dB a 20 uPa)

El resultado se expresa en Pascales (Pa)

Calibracin con una fuente de referencia de ruido


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Tipos de Micrfonos

Prepolarizados (Electret)

Alimentados or corriente constante 2-20 mA

Conexin de dos cables (BNC, microdot, etc)

Polarizados externamente

Alimentados por fuente de hasta 200 V Conectores de 7 pines LEMO


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Tipos de Micrfonos

Campo Libre

Micrfono de Incidente Aleatorio


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Consideraciones de Seleccin de Transductores

Cul es el nivel de vibracin o sonido?

Cules son las frecuencias de inters (mximo y mnimo)? Cul es el rango de temperatura requerida?

Cul es la longitud del cable que se requiere?


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Adquisicin

de Datos

Ac

Sensores

Seales de Entrada

Anlisis

ondicionamiento

deSeal

A/DSeales de Salida

V


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Porqu Utilizar Acondicionamiento de Seal?

Acondicionamientode Seal

Mejora las seales para una mejor calidad de medicin

Alimenta o excita sensores Lee informacin de sensores TEDS

Ruidosa, Seal de Bajo Nivel Filtrada, Seal Amplificada


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Acoplamiento AC/DC y Acondicionamiento IEPE

Acoplamiento DC y AC

Acoplamiento AC = AC

Acoplamiento DC = AC+DC

=

20 volts

Acoplamiento DC = AC+DC

DC

AC

Piezoelctrico Electrnico Amplificador de carga o

amplificador de voltaje

integrado

0 volts

Acoplamiento AC = NO DC


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Sistemas Multi-ADC

Muestreo simultneo: La conversin A/D se realiza almismo tiempo, ya sean 2 o 5,000 canales

No hay variacin entre canales para garantizar fasesidnticas

Requerido para Intensidad de sonido

Respuesta a la frecuencia

Dinmica estructural

Anlisis de orden

Holografa acstica

Se Garantiza unDesfasamiento en el Peor

de los Casos de 0.1 a

1 Khz

Magnificacin de 50X


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A/D Delta Sigma de 24 Bits Resolucin = nmero de bits que usa el ADC para representar una

Seal

Determina cuntos cambios diferentes de voltaje pueden ser medidos:

# de niveles = 2resolucion = 216 = 65,536 niveles

Ancho de cdigo es el cambio mnimo que su sistema puededetectar Menor Ancho de Cdigo = representacin ms precisa de su seal

Ancho de

cdigo=

rango

amplificacin * 2 resolucin=

20 V

1 * 2 16

=

1 * 2 24

20 V

= 305 V

= 1.19 V

16-bit ADC

24-bit ADC


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Efecto de la Resolucin del ADC

Medicin de 24-bitMedicin de 16-bit

Los ADCs de alta resolucin le permiten detectar componentes

fuertes y dbiles de la seal al mismo tiempo

140 dB

90 dB Detecta Niveles Bajos de Seal


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=

Aliasing Teorema de Muestreo de Shannon

La frecuencia mxima (Frecuencia de Nyquist: fN) quepuede ser analizada est dada por:

Muestreo incorrecto Muestreo apropiado

s s


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Filtro Anti-Alias en A/Ds

Mezcla de filtrosanalgicos y digitales

Caractersticas de

DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel

0

20 Bessel, Fc=15 kHz

Bessel, Fc=22.5 kHz

Bessel, Fc=30kHz

DSA Digital Filter

Remueve componentes de frecuencia mayores a la frecuenciade Nyquist

Necesita realizarse antes de que la seal sea digitalizada

Respuesta a la

frecuencia plana en labanda

Buen rechazo de alias

a altas frecuencias Roll-off rpido en la

banda de transicin-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Frequency (Hz)

FilterResponse(dB)

Signal

Bandwidth

FNyquistNI 4472 at

102.4 kS/sec FNyquist150 kS/sec

Analog Bessel Filter

attenuates signalsin band of interest


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Adquisicin

de DatosAc

Sensores

Seales de Entrada

Anlisis

on

dicionamiento

deSeal

A/DSeales de Salida

V


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Anlisis de Sonido y Vibracin Mediciones en el Dominio del Tiempo

Nivel de sonido y vibracin

Mediciones del Dominio de la Frecuencia

Potencia del espectro

Anlisis de armnicas y octavas Respuesta a la frecuencia / barrido de seno

Anlisis de audio - distorsin

Anlisis en el Dominio del Orden


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Mediciones de Nivel

Nivel de Presin del Sonido Escala logartmica (dB)

Referencia de 20 uPa Ponderacin de frecuencia: A, B, C

Nivel de Vibracin g rms, g pico

Referencia de 1 ug Integracin: velocidad y

desplazamiento


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SPL

Presin de Sonido (Pa) Nivel de Sonido (dB) Comparacin

0.00002 0 Umbral de Audio

0.02 60 Oficina de Negocios

.

1 94 Camion Grande

2 100 Martillo Neumtico

20 120 Despegue de Avin

200 140 Umbral del Dolor


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Anlisis Fraccional de Octavas Usado cuando el cliente final es el odo humano

escala de amplitud en dB

escala de frecuencia logartmica

Implementacin: Banco de filtros pasa bandas seguidos pormediciones de nivel

Seal Octavas Nivel Espectro de

Octavas

Cumple con estndares ANSI y IEC


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Anlisis en la Frecuencia

La Transformada Rpida de Fourier (FFT) convierte la

seal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia

Seal en el Dominio delTiempo

Espectro


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Respuesta en la Frecuencia

La Funcin Respuesta a la Frecuencia (FRF)

caracteriza la UUT La FRF compara la amplitud y fase del estmulo

Estmulo-Respuesta

Ax

{

Px

H(f)A

y

{

Py


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Tipos de Estmulos

Banda Ancha (Basado en FFT)

La excitacin incluye todas

las frecuencias a la vez Menor tiempo de prueba

E em los:

Discretos

La excitacin consiste de slo una

frecuencia a la vez Tiempos de prueba mayores

generalmente (permite asentarse y

Ruido blanco Chirp

Ruido rosa

Impacto martillo

Puede usarse para medir distorsindependiente de frecuencia

Ejemplos: Un slo tono

Seno multi tono

Barrido de seno o seno con pasos enfrecuencia


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Anlisis de Audio

Distorsin (no linealidad) THD, THD+Ruido, SINAD: Medidos con un tono

puro (fundamental) Distorsin harmnica total = Distorsin/fundamental

SINAD = seal/ ruido + distorsin

Seal = fundamental + ruido + distorsin IMD (distorsin de intermodulacin): excitacin de

dos tonos

Crosstalk Ganancia/fase


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Qu es Anlisis de Orden? Muchos componentes de seal del ruido y vibracin

estn relacionados directamente a la velocidad: Desbalanceo, desalineacin, defectos de rodamientos,

El anlisis de orden normaliza las mediciones a una

velocidad rotacional para obtener mejores

componentes de esta seal


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Espectro de Potencia

Velocidad de

Rotacin:

60 Hz

(3600 RPM)Los

componentes

Velocidad de

Rotacin :

50 Hz(3000 RPM)

se recorrencon un cambio

de velocidad


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Comprendiendo el Anlisis de Orden

Dominio del Tiempo

FFT

Dominio de la

Frecuencia

seg Hz

FFT

Dominio Angular

grados

Dominio de Orden

orden


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Espectro de Orden

Los

componentes

Velocidad de

Rotacin:

60 Hz

(3600 RPM)

e or en se

mantienen fijas

con cambios

de velocidadVelocidad de

Rotacin :

50 Hz(3000 RPM)

U i O d A l i M hi


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Using Order Analysis on Machinery

Hz

55

3,300 RPM = 55 RPS


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Relationship of Orders and Faults We can diagnose machine faults by knowing the order:

Imbalance

Misalignment

Loose Coupling

Low Order

Valve Noise

Bearing Defects / Wear

Blade Pass Frequency

Gear MeshHigh Order


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Resampling for Changing Machine Speed

Data is converted to angular domain from time

domain with the use of a tachometer (speed)

signal

Machine speed is increasing


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Poniendo todo junto

Adquisicin

de Datos

Acondicionamien

A/D

Sensores

V

Seales Entrada

Seales Salida

Anlisis

to

Arquitecturas Casos de Estudio

Rango de Aplicaciones en Maquinaria


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Rango de Aplicaciones en Maquinaria

I&D, Celdas

de Prueba

Pruebas de

Fbrica

Servicio en

Campo,

Almacenamiento

Monitoreo

En LneaProteccin

Casos de Estudio de Gran Cantidad de Canales


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Casos de Estudio de Gran Cantidad de Canales

Boeing: Arreglo de 448 canales de Micrfono200 Hz

Ruido en Fuselaje

400 Hz

Ruido de Entrada

Instalaciones Olmpicas de Beijing Monitoreo e Investigacin Ssmica


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Instalaciones Olmpicas de Beijing - Monitoreo e Investigacin Ssmica

Monitoreo continuo de

actividad ssmica en el Estadio

Nacional de Beijing y el Centro

Acutico Validacin de modelo estructural

Monitoreo de eventos or dis aro

Notificacin por correoelectrnico

NI LabVIEW y CompactRIO

sincronizados por GPS

. . .Sensores Ssmicos Kinemetrics

cRIO


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Preguntas?

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