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UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

LABORATORIO DE VIBRACIONES MECANICASwww.dim.udec.cl/lvm DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICAFACULTAD DE INGENIERIA

Casilla 160-C, Concepción/CHILEFono 56-41-204327

FAX 56-41-251142

EVALUACIÓN DE LA SEVERIDAD VIBRATORIA

Concepción, febrero del 2002



Universidad de Concepción. Laboratorio de Vibraciones Mecánicas. www.dim.udec.cl/lvm. - Chile 2

TABLA DE CONTENIDO

1 ISO 2372: Vibraciones mecánicas de máquinas que operan con velocidades entre 10 y 200

(rev/s). Bases para especificar estándares de evaluación.........................................................................7

1.1 Alcance .......................................................................................................................................71.2 Procedimiento de medición y condiciones de operación ........................................................7

1.2.1 Equipos de medición .........................................................................................................7

1.2.2 Puntos de medición ...........................................................................................................8

1.2.3 Condiciones de operación.................................................................................................81.3 Clasificación de las máquinas...................................................................................................9

1.3.1 Soportes de la máquina a ensayar...................................................................................10

1.4 Evaluación de la severidad vibratoria .....................................................................................10

1.4.1 Calidad de la vibración ...................................................................................................11

2 ISO 10816-3 Vibración Mecánica – Evaluación de máquinas por medición en partes no

rotatorias. [15 - Mayo, 1998] .....................................................................................................................12

2.1 Objetivos .................................................................................................................................. 122.2 Procedimiento de medición y condiciones de operación. .....................................................13

2.2.1 Instrumentos de medición...............................................................................................13

2.2.2 Ubicación de los puntos de medición.............................................................................13

2.2.3 Condiciones de operación...............................................................................................142.3 Clasificación de las máquinas.................................................................................................17

2.3.1 Clasificación de acuerdo al tipo de máquina, Potencia o altura de eje ........................17

2.3.2 Clasificación según la flexibilidad del soporte..............................................................18

2.4 Evaluación................................................................................................................................182.4.1 Criterio I : Magnitud de la vibración..............................................................................18

2.4.2 Criterio II : Cambios en la magnitud de la vibración....................................................20

2.4.3 Configuración de valores de ALARMAS y de PARADAS .........................................23

3 ISO 2373: Vibraciones mecánicas de ciertas máquinas rotatorias eléctricas con altura de eje

entre 80 mm y 400 mm. Medición y evaluación de la severidad vibratoria.........................................24

3.1 Introducción .............................................................................................................................24

3.2 Campo de aplicación ...............................................................................................................243.3 Cuantificación de la medición ................................................................................................24

3.4 Equipo de medición .................................................................................................................25

3.5 Montaje de la máquina ............................................................................................................25

3.6 Condiciones de medición ........................................................................................................253.7 Clasificación de las máquinas eléctricas ................................................................................26

4 EJEMPLOS ...................................................................................................................................... 28

4.1 Ejemplo 1. ................................................................................................................................ 284.2 Ejemplo 2. ................................................................................................................................ 29

4.3 Ejemplo 3. ................................................................................................................................ 31

4.4 Ejemplo 4. ................................................................................................................................ 32




EVALUACIÓN DE LA SEVERIDAD VIBRATORIA

Frecuentemente se ha encontrado fallas en las máquinas rotatorias cuya causa son las

vibraciones. Esto ha ido en aumento debido por un lado a la demanda de máquinas que

trabajen con mayores velocidades y cargas y al menor costo posible para ser competitivas en

el mercado, y por otro lado requerimientos de mayor tiempo de operación continua entre

operaciones de mantenimiento. En consecuencia para asegurar un funcionamiento continuo

de la máquina en forma segura y confiable están siendo especificados requerimientos

vibratorios de la máquina cada vez más restrictivos.

Debe tenerse presente que lo que realmente importa para aumentar la vida de la máquina, es

disminuir el valor de las fuerzas dinámicas (y también estáticas) actuando sobre la máquina

que producen fatiga y desgaste en los descansos, engranajes y otros componentes de ella.

Como en la mayoría de los casos esto es difícil, sino imposible, se evalúa esto a través de las

vibraciones, las cuales son simplemente un efecto secundario. Obviamente las vibraciones

medidas en la máquina dependen de las fuerzas dinámicas que actúan sobre ella, pero

además dependen de la movilidad o impedancia mecánica del sistema

máquina/soporte(respuesta vibratoria a las fuerzas dinámicas aplicadas), las cuales

dependen de la rigidez y masa de la carcasa y soporte de la máquina.

Para ilustrar lo anterior considere un rotor delgado desbalanceado. Si el rotor gira a ω

(rad/seg) y su desbalanceamiento es U(Kg m), la fuerza centrífuga que actúa sobre el rotor

será:

Fuerza centrífuga = U ω2 (N)

Una misma fuerza centrífuga generará diferentes niveles vibratorios en la máquina

dependiendo de su impedancia o movilidad mecánica. En un sistema soporte-máquina poco

rígido podría generar, por ejemplo, valores pico de la vibración de 6 (mm/seg), mientras que

en otro sistema soporte-máquina más rígido puede generar valores vibratorios pico de

0.5(mm/seg), ¡siendo la fuerza la misma!




Los estándares que especifican calidad de balanceamiento en los rotores, por ejemplo ISO

1940 , especifican valores límites para el desbalanceamiento U, es decir están limitando la

fuerza centrífuga que actúa sobre el rotor independiente del valor de su vibración. Sin

embargo, esto solo es posible cuando el problema es desbalanceamiento, debido a que en

este caso con el uso de una masa de prueba es posible encontrar una relación (coeficientesde influencia) entre desbalanceamiento en el rotor y vibraciones medidas en la máquina Las

fuerzas dinámicas generadas por otro tipo de fallas en la máquina no es posible estimarlas y

su severidad será evaluada solo a través de las vibraciones medidas en algunos puntos de la

máquina.

Para definir la severidad de una vibración es necesario definirla respecto al daño específico

que ella puede generar. Por ejemplo, un valor de vibración medido en una máquina con

movimiento alternativo (motor Diesel o compresor alternativo) puede ser de muy baja

severidad para el daño que ella puede generar en los elementos de la máquina misma, sin

embargo ese mismo valor puede ser muy severo o dañino para los elementos unidos a la

máquina, como ser cañerías, fundaciones, instrumentos de medición. Los estándares de

severidad vibratoria en este tipo de máquinas limitan el nivel vibratorio de la máquina, no para

evitar daño en la máquina misma, pues ellas pueden ser consideradas como generadores de

vibraciones, sino que limitan las vibraciones de la máquina para evitar daño de los

componentes montados o de los conectados a ella. Otro ejemplo es en máquinas como las

grúas, donde el operario va montado en ella. Puede ser que un nivel vibratorio medido en la

máquina no sea dañino para la máquina misma, pero si para el operario que la maneja.

Respecto al daño que se quiera evaluar, o de acuerdo a los objetivos para los cuales fueron

confeccionados, existen numerosos estándares para la severidad vibratoria o valores

admisibles para la vibración. Algunos estándares son publicados por grupos de industrias

tales como, American Petroleum Institute (API), American Gear Manufacturers Association

(AGMA), National Electric Manufacturers Association (NEMA), etc. Ademas hay estándares

publicados por organizaciones tales como American National Standards Institute (ANSI),

Asociación Alemana de Ingenieros (VDI) o International Standars Organization (ISO).

Dentro de los estándares más utilizados están:




- ISO 2372 : Mechanical vibration of machines with operating speeds from 10 to 200 rev/s.

Basis for specifying evaluation standards.

Este es un estándar general para máquinas rotatorias diseñado para evaluar principalmente

la severidad vibratoria de máquinas en el taller o en los ensayos de aceptación de máquinas.

Las especificaciones vibratorias para ensayos de aceptación de máquinas nuevas oreparadas garantizan al comprador que el equipo está estadísticamente normal o con buena

salud inicial.

- ISO 3945 : Mechanical vibration of large rotating machines with speed range from 10 to 200

rev/seg. Measurement and evaluation of vibration severity in situ.

Este estándar similar al anterior, es para un tipo más específico de máquinas, para máquinas

rotatorias grandes es decir, sobre 300KW y está diseñado para evaluar la severidad vibratoria

de máquinas tomada en terreno.

-ISO 2373 : Mechanical vibration of certain rotating electrical machinery with shaft heights

between 80 and 400 mm.- Measurement and evaluation of the vibration severity.

Este estándar es aplicable a máquinas eléctricas trifásicas de corriente alterna y a máquinas

de corriente continua.

- ISO 10816 : Este estándar consiste de cinco partes bajo el título general : Mechanical

vibration. – Evaluation of machine vibration by measurement on non-rotating parts.

- Part 1 : General guidelines

- Part 2 : Large land-based steam turbine generator sets in excess of 50 MW.

- Part 3 : Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds

between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ.

- Part 4 : Gas turbine driven sets excluding aircraft derivatives.

- Part 5 : Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

- Part 6 : Reciprocating machines with power rating above 100 MW.

Este nuevo estándar evalúa la severidad vibratoria de máquinas rotatorias a través de

mediciones efectuadas en terreno en partes no giratorias de ellas. Envuelve y amplia los

estándares citados anteriormente.




- ISO 7919 . Este estándar consiste de cinco partes bajo el título general : Mechanical

vibration of non-reciprocating machines . – Measurements on rotating shafts and evaluation

criteria.

- Part 1 : General guidelines- Part 2 : Large land-based steam turbine generator sets

- Part 3 : Coupled industrial machines

- Part 4 : Gas turbine sets.

- Part 5 : Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

Hay máquinas, tales como aquéllas que tienen rotores flexibles montadas en descansos

hidrodinámicos, para las cuales las mediciones en la caja de los descansos puede no ser

totalmente adecuada como criterio de evaluación. En tales casos puede ser necesario

monitorear la máquina usando más mediciones directamente al eje de los rotores. Para tales

máquinas los requerimientos establecidos en ISO 7919 son complementarios a los indicados

en ISO 10816 .

-VDI 2063 : Measurement and evaluation of mechanical vibrations of reciprocating piston

engines and piston compressors.

Este estándar limita la severidad de las vibraciones medidas en diferentes puntos de la

superficie de la máquina para evitar daño de los componentes conectados o montados en

ella.

-ISO 8579 : Acceptance code for gears – Determination of mechanical vibration of gears units

during acceptance testing.

-ISO 2631 : Este estándar bajo el título general: Evaluation of human exposure to whole-body

vibration, consta de cuatro partes:

- Part 1: General requirements

- Part 2: Continuous and shock-induced vibration in buildings (1 to 80Hz ).

- Part 3: Whole-body z axis vertical vibration (0.1 to 0.63 Hz )




Este estándar limita las vibraciones de las superficies que están en contacto con el ser

humano. La severidad vibratoria es cuantificada midiendo aceleración vibratoria en el rango

de 1 a 80 Hz .

1 I SO 2372 : Vibraciones mecánicas de máquinas que operan con velocidadesentre 10 y 200 (rev/s) . Bases para especificar estándares de evaluación.

1.1 Alcance

Este estándar internacional define bases y reglas específicas a emplear en la evaluación

de la vibración mecánica de máquinas que operan entre 10 y 200 (rev/s). Las vibraciones

consideradas por este estándar para evaluar la severidad de las vibraciones son aquéllas

medidas en la superficie de la máquinas, sobre sus descansos o en los puntos de montaje,

en el rango de frecuencias de 10 a 1000 Hz. Es claro que las vibraciones medidas en la

superficie de la máquina sólo pueden proveer una indicación de los esfuerzos vibratorios

dentro de la máquina, y no necesariamente reflejarán los esfuerzos reales de las partes

críticas, ni tampoco asegurarán que no ocurran excesivos esfuerzos vibratorios, debidos

por ejemplo, a resonancias locales. En particular, las vibraciones torsionales de las partes

rotatorias no siempre generarán vibraciones medibles en la superficie de la máquina.

1.2 Procedimiento de medición y condiciones de operación

1.2.1 Equipos de medición

Antes de realizar las mediciones se debe asegurar que el instrumento de medición

entregará el valor RMS de la velocidad vibratoria en el rango de frecuencias de 10 a 1000

Hz. Además, se debe verificar que el instrumento y sensor de vibraciones soportarán las

condiciones ambientales tales como

• Temperatura

• Campos magnéticos

• Longitud del cable

• Orientación del sensor

Especial atención debe ponerse en que el sensor esté correctamente montado y que su

presencia no altere las vibraciones de la máquina.




1.2.2 Puntos de medición

Hay al menos un punto en la máquina (descansos) donde es importante conocer si existe

una vibración significativa. Otro punto importante es en los pies de la máquina, es decir, en

los puntos de unión a la fundación.

Las mediciones deben ser realizadas sobre cada descanso principal de la máquina, en las

direcciones radiales (vertical y horizontal) y en la dirección axial (Fig. N°1). Se debe

asegurar que las medidas representen la vibración de la caja de los descansos y no

incluyan una resonancia local.

1.2.3 Condiciones de operación

Las mediciones deben realizarse cuando el rotor y los descansos principales han

alcanzado sus temperaturas estacionarias de trabajo y con la máquina funcionando bajo

condiciones nominales, como voltaje, flujo, presión, carga. En máquinas con velocidad

variable, las mediciones deberían realizarse en las condiciones extremas. Los valores

medidos máximos serán considerados representativos de la severidad de la vibración.

Fig. N°1 Puntos de medición




1.3 Clasificación de las máquinas

En este estándar, las máquinas se clasifican según la potencia, el tipo de montaje utilizado

y el uso de la máquina. Las clasificaciones se muestran a continuación para las máquinas

que giran entre 10 y 200 (rev/s).

CLASE I : Máquinas pequeñas con potencia menor a 15 KW.

CLASE II : Máquinas de tamaño mediano con potencia entre 15 y 75 KW, o

máquinas rígidamente montadas hasta 300 KW.

CLASE III : Máquinas grandes con potencia sobre 300 KW, montadas en

soportes rígidos.

CLASE IV : Máquinas grandes con potencia sobre 300 KW, montadas en

soportes flexibles.

CLASE V : Máquinas y sistemas conductores con fuerzas de inercia desbalanceadas

debido al movimiento recíproco de alguno de sus elementos), montadas en

fundaciones las cuales son relativamente rígidas en la dirección de la

medición de la vibración.

CLASE VI: Máquinas con fuerzas de inercia desbalanceadas, montadas en fundaciones

las cuales son relativamente elásticas en la dirección de la medición de la

vibración, tales como harneros vibratorios, máquinas centrífugas, molinos,

etc.

La tabla siguiente (tabla Nº1) para las máquinas de clase I a IV es apropiada para la

mayoría de las aplicaciones de acuerdo a la experiencia. Las máquinas de clase V y VI,

son difíciles de clasificarlas debido a que ellas varían considerablemente sus

características vibratorias.




Tabla N°1: Rangos de severidad vibratoria para máquinas normales

Rango de

velocidad Tipos de Máquinas

Efectiva RMS

(mm/s) Clase I Clase II Clase III Clase IV

0,18 - 0,28

0,28 - 0,45 A A

0,45 - 0,71 A

0,71 - 1,12 B A

1,12 - 1,8 B

1,8 - 2,8 C B

2,8 - 4,5 C B

4,5 - 7,1 C

7,1 - 11,2 D C

11,2 - 18 D D

18 - 28 D

1.3.1 Soportes de la máquina a ensayar

Dos tipos de soportes se utilizan para clasificar la severidad vibratoria. Para un soporte

flexible, la frecuencia fundamental del sistema soporte-máquina es más baja que su

frecuencia principal de excitación (en la mayoría de los casos es la frecuencia de rotación),

es decir, máquinas que giran sobre su primera velocidad crítica. Para un soporte rígido, la

frecuencia fundamental del sistema soporte-máquina es mayor que su frecuencia principal

de excitación.

1.4 Evaluación de la severidad vibratoria

Basándose en consideraciones teóricas y experiencias prácticas, se define como unidad

de medida para cuantificar la severidad vibratoria el valor RMS de la velocidad de la

vibración. Vibraciones con el mismo valor RMS de la velocidad en la banda de frecuencias

de 10 a 1000 Hz se considera que tienen igual severidad vibratoria. Este estándar




considera que se produce un cambio significativo en la respuesta vibratoria cuando esta

cambia en la razón 1:1.6, como se aprecia en la tabla Nº1. Es decir, se estima que se

produce un cambio en el nivel vibratorio, cuando las vibraciones varían en un 60 %

aproximadamente. También se puede observar de la tabla Nº1 que se produce un cambio

en la condición de la máquina cada vez que se producen dos cambios en el nivel vibratoriode la máquina( )56.26.1*6.1 = , es decir, cuando la vibración aumenta en aproximadamente

2.5 veces.

1.4.1 Calidad de la vibración

La calidad de la vibración permite tener un parámetro para evaluar cualitativamente una

máquina dada.

A: BuenaB: Satisfactoria

C: InsatisfactoriaD: Inaceptable

Debe tenerse presente que esta es una evaluación cualitativa. Un nivel vibratorio BUENO

significa que este nivel vibratorio le permitirá a la máquina funcionar en el largo plazo libre

de problemas. Es decir, la vibración no disminuirá la vida nominal esperada en los

componentes de la máquina.

Por otro lado, un nivel vibratorio INACEPTABLE significa que la vida especificada para los

elementos de la máquina disminuirá significativamente.




2 I SO 10816-3 Vibración Mecánica – Evaluación de máquinas por medición enpartes no rotatorias. [15 - Mayo, 1998]

Parte 3: Máquinas industriales con potencia sobre 15 kW y velocidadnominal entre 120 rpm y 15000 rpm.

2.1 Objetivos

Los criterios de vibración provistos en este estándar se aplican a un conjunto de máquinas

con potencia sobre 15 KW y velocidad entre 120 rpm y 15000 rpm.

El conjunto de máquinas que cubre este estándar incluye:

− Turbinas a vapor con potencia hasta 50 MW

− Turbinas a vapor con potencia mayor que 50 MW y velocidades bajo 1500 cpm o sobre

3600 cpm

− Compresores rotatorios

− Turbinas a gas con potencia hasta 3 MW

− Bombas centrifugas, de flujo axial o mixto

− Generadores, excepto cuando son usados en plantas hidráulicas y plantas de bombeo

− Motores eléctricos de cualquier tipo

− Sopladores y ventiladores

NOTA: Sin embargo, el criterio presentado en esta norma generalmente es aplicable sólo

a ventiladores con potencia sobre 300 KW u otros ventiladores con carcazas

razonablemente rígidas las cuales no son soportadas flexiblemente.

Este estándar también incluye máquinas, las cuales pueden tener engranajes o

rodamientos, pero no está orientada a dar un diagnostico de evaluación de los engranajes

o de los rodamientos.

Los criterios son solo aplicable para vibraciones producidas por la máquina misma y no

para vibraciones las cuales son transmitidas a la máquina desde fuentes externas.

Los criterios de evaluación de este estándar son aplicables para:

− Ensayos de aceptación de máquinas

− Monitoreo continuo o no continuo de la condición de operación de las máquinas




2.2 Procedimiento de medición y condiciones de operación.

2.2.1 Instrumentos de medición.

El equipo de medición debe ser capaz de medir vibración RMS al menos en un rango de

frecuencia de 10 Hz a 1000 Hz. Dependiendo del criterio se pueden requerir mediciones

de desplazamiento, de velocidad o ambas. Sin embargo, para máquinas con velocidades

que están cerca o bajo 600 rpm, el límite más bajo del rango de frecuencia del equipo de

medición no debe ser mayor a 2 Hz.

Se debe tener un cuidado especial para asegurarse que el sistema de medición no es

influenciable por factores ambientales como:

− Variaciones de temperatura

− Campos magnéticos

− Campos sonoros

− Variaciones de la fuente de poder que lo alimenta

− Longitud del cable del transductor

− Orientación del sensor

Particular atención se debe tener para asegurar que los sensores sean montados

correctamente y que tales montajes no degraden la precisión de la medición.

2.2.2 Ubicación de los puntos de medición.

Esta norma se aplica a mediciones de vibraciones realizadas en terreno, las cuales son

tomadas en la caja de los descansos o en la carcaza de la máquina operando bajo

condiciones de operación estacionarias dentro del rango nominal de velocidades de

rotación.

Las mediciones se deben realizar en puntos de la máquina que sean accesibles. Se debe

tener cuidado de que las mediciones representen razonablemente a las vibraciones

medidas en la caja del descanso y que no incluyen resonancias locales o amplificaciones.

Las ubicaciones y direcciones de las vibraciones deberán ser tales que provean adecuada

sensibilidad a las fuerzas dinámicas en la máquina.




Típicamente esto requerirá tres puntos de medición, dos puntos ortogonales en la

dirección radial en cada descanso y un punto en la dirección axial. Las direcciones vertical

y horizontal son generalmente utilizadas para máquinas montadas horizontalmente

(Fig. N°2). Para máquinas montadas verticalmente o inclinadas los puntos más usadosson donde la lectura de la vibración sea máxima (Fig. N°3). La dirección del eje elástico

debería ser uno de los puntos utilizados.

2.2.3 Condiciones de operación.

Las mediciones deben realizarse cuando el rotor y los descansos principales han

alcanzado sus temperaturas estacionarias de trabajo y con la máquina funcionando bajo

condiciones nominales o especificadas, por ejemplo velocidad, voltaje, flujo, presión y

carga.

En máquinas con velocidad o carga variable, las mediciones deben realizarse bajo todas

las condiciones a las cuales se espera que la máquina trabaje por periodos prolongados

de tiempo. Los máximos valores medidos, bajo estas condiciones, serán considerados

representativos de la severidad de la vibración.

Si la vibración es superior a lo que el criterio permite y se sospecha de excesiva vibración

de fondo, las mediciones se deben realizar con la máquina detenida para determinar el

grado de influencia de la vibración externa. Si la vibración con la máquina detenida excede

el 25 % de la vibración medida con la máquina operando, acciones correctivas son

necesarias para reducir el efecto de la vibración de fondo.

NOTA: En algunos casos el efecto de la vibración de fondo se puede anular por análisis

espectral o eliminando las fuentes externas que provocan las vibraciones de fondo.




Fig. N°2 Puntos de medición




Fig. N°3 Puntos de medición para máquinas verticales




2.3 Clasificación de las máquinas.

La severidad de la vibración se clasifica conforme a los siguientes parámetros:

• Tipo de máquina

• Potencia o altura de eje

• Flexibilidad del sistema soportante

2.3.1 Clasificación de acuerdo al tipo de máquina, Potencia o altura de eje

Las significativas diferencias en el diseño, tipos de descanso y estructuras soportantes de

la máquina, requieren una separación de ellas en diferentes grupos. Las máquinas de

estos grupos pueden tener eje horizontal, vertical o inclinado y además pueden estar

montados en soportes rígidos o flexibles.

GRUPO 1: Máquinas rotatorias grandes con potencia sobre 300 KW.

Máquinas eléctricas con altura de eje H ≥ 315 mm.

GRUPO 2: Máquinas rotatorias medianas con potencia entre 15 y 300 KW.

Máquinas eléctricas con altura de eje H entre 160 mm y 315 mm.

GRUPO 3: Bombas con impulsor multipaletas y con motor separado (flujo

centrífugo, axial o mixto) con potencia sobre 15 KW.

GRUPO 4: Bombas con impulsor multipaletas y con motor integrado (flujo

centrífugo, axial o mixto) con potencia sobre 15 KW.

NOTAS

• La altura de eje H de una máquina está definida como la distancia medida entre la

línea de centro del eje y el plano basal de la máquina misma.

• La altura de eje H, de una máquina sin patas o de una máquina con pies levantados

o cualquier máquina vertical, se debe tomar como la altura de eje H de una

máquina horizontal en el mismo marco básico. Cuando el soporte es desconocido,

la mitad del diámetro de la máquina puede ser utilizada.




2.3.2 Clasificación según la flexibilidad del soporte

Dos condiciones son usadas para clasificar la flexibilidad del soporte en las direcciones

especificadas:

• Soporte rígido• Soporte flexible

Si la primera frecuencia natural del sistema máquina / soporte en la dirección de la

medición es mayor que su frecuencia principal de excitación (en la mayoría de los casos

es la frecuencia de rotación) en al menos un 25 %, entonces el sistema soporte puede ser

considerado rígido en esa dirección. Todos los otros sistemas soportes pueden ser

considerados flexibles.

En algunos casos el sistema soporte-máquina puede ser considerado rígido en una

dirección de medición y flexible en la otra dirección. Por ejemplo, la primera frecuencia

natural en la dirección vertical puede estar sobre la frecuencia principal de excitación

mientras que la frecuencia natural horizontal puede ser considerablemente menor. Tales

sistemas serían rígidos en el plano vertical y flexible en el plano horizontal. En estos casos

la vibración debe ser evaluada de acorde con la clasificación del soporte que corresponda

en la dirección de la medición. Si la clase del sistema máquina–soporte no puede ser

determinada fácilmente de cálculos y gráficos, se puede determinar por pruebas

experimentales.

2.4 Evaluación

ISO 10816 – 1 provee una descripción general de dos criterios usados para la evaluación

de la severidad vibratoria en los distintos tipos de máquinas. Un criterio considera la

magnitud de la vibración global en un ancho de banda y el segundo criterio considera loscambios en la magnitud de la vibración, independiente de si aumentan o decrecen.

2.4.1 Criterio I : Magnitud de la vibración

Este criterio define límites para la magnitud de la vibración consistente con aceptables

cargas dinámicas en los descansos y aceptables vibraciones transmitidas al ambiente a

través de sus soportes. La máxima magnitud de la vibración medida en cada descanso es




usada para evaluar la severidad de la vibración de acuerdo al tipo de máquina y al tipo de

soporte.

2.4.1.1 Zonas de evaluación

Las siguientes zonas de evaluación son definidas para permitir una evaluación cualitativa

de una máquina dada y proveer guías sobre posibles acciones a tomar.

ZONA A: La vibración de máquinas nuevas o recientemente reacondicionadas puestas en

servicio, normalmente debería estar en esta zona.

ZONA B: Máquinas con vibración en esta zona son normalmente consideradas aceptables

para operar sin restricción en un período largo de tiempo.

ZONA C: Máquinas con vibración en esta zona son normalmente consideradas

insatisfactorias para una operación continua para un tiempo prolongado.

Generalmente, estas máquinas pueden operar por un periodo limitado en esta

condición hasta que se presente una oportunidad conveniente para reparar la

máquina.

ZONA D: Los valores de la vibración de esta zona son considerados normalmente como

suficientemente severos para causar daño a la máquina.

Mayores valores que los indicados en este estándar requieren que el fabricante de la

máquina explique las razones de esto y en particular confirme que la máquina no sufrirá

daño operando con valores vibratorios mayores.

2.4.1.2 Valores límites entre las zonas de evaluación

Los valores para los límites de las zonas se dan en las tablas N°2, N°3, N°4 y N°5. Al usar

estas tablas se debe tomar el valor más alto de la vibración medido en las direcciones

radiales de cualquier descanso y la vibración axial en el descanso de empuje. Se puede




utilizar el valor del desplazamiento o de la velocidad de la vibración. Se utilizará el que sea

más restrictivo según las tablas anteriormente mencionadas.

2.4.1.3 Vibración en bombas

El criterio de evaluación de las tablas N°4 y N°5 se aplica cuando se opera con el caudal

nominal de la bomba. Cuando se opera en condiciones diferentes al nominal, aumentan

las fuerzas hidráulicas y se producen altas vibraciones. Estos valores pueden ser

permisibles para cortos tiempos de operación, pero podrían causar daño o desgaste

acelerado al término de largos periodos de operación.

Para la instalación de bombas, es importante tener un cuidado especial para evitar la

resonancia en el sistema de tuberías y fundaciones conectadas a la bomba con las

componentes de vibración a uno y dos veces la frecuencia de paso de los álabes, ya que

puede causar una vibración excesiva.

2.4.2 Criterio II : Cambios en la magnitud de la vibración

Este criterio evalúa los cambios de la magnitud de la vibración con relación a un valor de

referencia establecido previamente. Si ocurre un cambio significativo en la magnitud de la

vibración en un ancho de banda (10 Hz a 1000 Hz) puede necesitar una acción correctiva

aunque no haya alcanzado la zona C del criterio 1. Estos cambios pueden ser

instantáneos o progresivos con el tiempo y pueden indicar un daño incipiente o alguna otra

irregularidad. El criterio 2 se aplica en base al cambio de la magnitud de la vibración que

ocurre bajo la condición de funcionamiento en estado estacionario de la máquina.

Cuando el criterio 2 es aplicado, la medición de la vibración que se compara se debe

tomar con el mismo sensor, en la posición y orientación anterior y bajo aproximadamente

las mismas condiciones de operación de la máquina. Cambios manifiestos en la magnitud

de la vibración normal, sin importar su valor total, debe ser investigada para evitar una

situación peligrosa. Cuando los cambios en la magnitud de la vibración exceden el 25 %

del valor superior de la zona B para las tablas N°2, N°3, N°4 y N°5, ellos deben ser




considerados significativos, particularmente si son repentinos. De ser así, se debe

diagnosticar la razón de los cambios y determinar que acciones a tomar son adecuadas.

Estos valores se aplican al valor global RMS de la velocidad y desplazamiento vibratorio

en el rango de frecuencias de 10 a 1000 Hz para máquinas con velocidad de rotaciónsobre 600 cpm, o en el rango de 2 a 1000 Hz para máquinas con velocidad de rotación

bajo 600 cpm. Si se espera que el espectro contenga componentes a baja frecuencia, la

evaluación debería basarse tanto en la medición de la velocidad como del desplazamiento

RMS, sino, como sucede en la mayoría de los casos es suficiente con medir únicamente la

velocidad vibratoria.

Tabla N°2: Clasificación de las zonas de severidad vibratoria para máquinas del

grupo 1. Desplazamiento

RMS Velocidad RMSTipo de soporte

µm mm/sRígido Flexible

bajo 29 bajo 2,3 A A

29 -45 2,3 - 3,5 B

45 - 57 3,5 - 4,5 B

57 - 90 4,5 - 7,1 C

90 - 140 7,1 - 11,0 C

sobre140 sobre 11,0 D D

Tabla N°3: Clasificación de las zonas de severidad vibratoria para máquinas delgrupo 2.

Desplazamiento

RMS Velocidad RMS Tipo de soporte

µm mm/s Rígido Flexible


22 -37 1,4 - 2,3 B

37 - 45 2,3 - 2,8 B

45 - 71 2,8 - 4,5 C

71 - 113 4,5 - 7,1 C

sobre 113 sobre 7,1 D D





Desplazamiento




18 - 28 2,3 - 3,5 B

28 - 36 3,5 - 4,5 B

36 - 56 4,5 - 7,1 C

56 - 90 7,1 - 11,0 C



Desplazamiento




11 -18 1,4 - 2,3 B

18 - 22 2,3 - 2,8 B

22 - 36 2,8 - 4,5 C

36 - 56 4,5 - 7,1 C





2.4.3 Configuración de valores de ALARMAS y de PARADAS

2.4.3.1 Configuración de valores de ALARMA

Los valores de ALARMA pueden variar considerablemente, hacia arriba o hacia abajo,

para diferentes máquinas. Los valores elegidos son normalmente configurados relativosa un valor base (línea base) determinado por la experiencia para la posición o dirección

de la medición para esa máquina en particular.

Se recomienda que el valor de ALARMA sea configurado sobre la línea base en una

cantidad igual al 25% del límite superior para la zona B. Si la línea base es baja, la

ALARMA puede estar bajo la zona C.

Donde no esté establecida una línea base (por ejemplo con una máquina nueva) la

configuración inicial del valor de ALARMA debería basarse sea en la experiencia con

otras máquinas similares o en relación con valores de aceptación acordados. Después

de un período de tiempo, se podrá establecer un valor para la línea base en estado

estacionario y la configuración del valor ALARMA debería ajustarse en concordancia. Se

recomienda que el valor de ALARMA normalmente no sobrepase 1,25 veces el límite

superior de la zona B.

Si la línea base en el funcionamiento estacionario de la máquina cambia (por ejemplo,

después que una máquina ha sido reparada), la configuración del valor de ALARMA

debería revisarse en concordancia.

2.4.3.2 Configuración de valores de PARADA

Los valores de PARADA generalmente se relacionan con la integridad mecánica de la

máquina y es dependiente de sus características específicas de diseño, las cual es hansido introducida para permitir que la máquina resista fuerzas dinámicas anormales. Los

valores usados deberán, por consiguiente, generalmente ser los mismos para todas las

máquinas de diseño similar y no debería normalmente estar relacionado con el valor de

la línea base en el estado estacionario usado para la configuración de ALARMAS.




Aquí pueden haber diferencias para las máquinas de diferente diseño y no es posible dar

guías claras para valores absolutos de PARADAS En general, el valor de PARADA

estará dentro de la zona C o D, pero es recomendado que el valor de PARADA no

debería exceder 1,25 veces el límite superior de la zona C.

3 I SO 2373 : Vibraciones mecánicas de ciertas máquinas rotatorias eléctricascon altura de eje entre 80 mm y 400 mm. Medición y evaluación de laseveridad vibratoria.

3.1 Introducción

Las vibraciones en las máquinas eléctricas son causadas por:

• Desbalanceamiento en las máquinas rotatorias.

• Ligeras deformaciones de la carcaza de la máquina o de su base, producida por ciertas

atracciones magnéticas entre el estator y el rotor.

• Rodamientos.

• Cargas aerodinámicas y algunos efectos secundarios tales como inestabilidades del

eje en los descansos hidrodinámicos, resistencia pasiva, expansión asimétrica, etc.

3.2 Campo de aplicación

Este estándar internacional se aplica a máquinas de corriente alterna de tres fases y a

máquinas de corriente continua con altura de ejes entre 80 mm y 400 mm.

3.3 Cuantificación de la medición

El criterio adoptado para medir la severidad de la vibración es el valor RMS de la velocidad

vibratoria en milímetros por segundo en el rango de frecuencia de 10 Hz a 1000 Hz. El

máximo valor determinado en los puntos de medición estipulados, es representativo para

evaluar la severidad de la vibración en la máquina.




3.4 Equipo de medición

El equipo debe ser capaz de medir el verdadero valor RMS de la vibración en el rango de

frecuencias de 10 Hz a 1000 Hz con una exactitud de al menos 10 % del valor indicado.

La sensibilidad transversal del transductor de vibración debe ser menor que el 10 % de la

sensibilidad en la dirección normal de la medición.

3.5 Montaje de la máquina

La medición de la vibración esta directamente relacionada con el montaje de la máquina.

Es entonces, en general deseable realizar las mediciones en condiciones de operación y

montajes reales bajo las cuales va a trabajar la máquina. Sin embargo, para estimar la

calidad respecto al balanceamiento y a las vibraciones de las máquinas rotatorias

eléctricas, es necesario medir sobre la máquina sola bajo determinadas condiciones de

ensayo, los cuales permiten realizar ensayos reproducibles y proveer medidas

comparables.

Para asegurar ensayos reproducibles y medidas comparables, la máquina debería ser

instalada en suspensión libre. Esta condición se obtiene suspendiendo la máquina sobreresortes o monitoreándola sobre soportes elásticos. La frecuencia natural de oscilación del

sistema suspensión-motor en los seis grados de libertad, debería ser menor que un cuarto

de la frecuencia correspondiente a la velocidad de rotación más baja de la máquina bajo

ensayo.

3.6 Condiciones de medición

i. Chaveta: el extremo del eje debería tener una chaveta de tamaño y longitud normal, a

menos que se especifique otra cosa. La chaveta debe ser la misma usada para

balancear el motor.




ii. Puntos de medición: Las mediciones se deben tomar en los descansos en la cercanía

al eje en tres direcciones perpendiculares. La máquina debe operar en la posición que

ocupa bajo funcionamiento normal (horizontal o vertical). Ver Fig. N°4.

iii. Condiciones de operación: Los motores serán alimentados con un voltaje constante y

frecuencia nominal (para corriente alterna) y la medición será a velocidad nominal.

Para máquinas con velocidades criticas o velocidad variable, la medición será a varias

velocidades de operación.

En ausencia de instrucciones contrarias, las mediciones de la velocidad vibratoria

deberían realizarse bajo operación sin carga a la temperatura alcanzada por el motor

después de un periodo suficiente de funcionamiento sin carga.

3.7 Clasificación de las máquinas eléctricas

La clasificación de las máquinas eléctricas y las zonas límites se indican en la tabla N° 6.

Tabla N° 6: Límites recomendados de la severidad de la vibración

Máximo valor RMS de la velocidad vibratoria

para alturas de eje H

Grado de

calidad Velocidad 132H80 ≤≤ 132< 225H ≤ 225< 400H ≤

rpm mm/s in/s mm/s in/s mm/s in/s

N 600 a 3600 1,8 0,071 2,8 0,11 4,5 0,177

(Normal)

R 600 a 1800 0,71 0,028 1,12 0,044 1,8 0,071

(Reducido) 1800 a 3600 1,12 0,044 1,8 0,071 2,8 0,11

S 600 a 1800 0,45 0,018 0,71 0,028 1,12 0,044

(especial) 1800 a 3600 0,71 0,028 1,12 0,044 1,8 0,071




Notas:

• Si no se llega a un acuerdo entre el comprador y el vendedor, el límite de calidadrecomendado es el grado N para máquinas eléctricas normales.

• Una máquina de una calidad adecuada respecto a esta tabla, puede exhibir, sin

embargo, grandes vibraciones en servicio normal proviniendo de diferentes causastales como fundaciones inadecuadas, reacciones de la máquina conducida, etc. Entales casos se debe realizar verificaciones no sólo sobre la máquina, sino quetambién sobre cada elemento de la instalación.

Figura N°4. Puntos de medición




4 EJEMPLOS

4.1 Ejemplo 1.

Con este ejemplo se ilustrarán las definiciones de soportes rígidos y flexibles.

La máquina es una bomba de 6 aspas, con potencia de 80 KW y velocidad de rotación de

1000 cpm tiene su primera frecuencia natural de vibrar vertical soporte/máquina a 5450

cpm. El mayor valor global de las vibraciones se genera en el descanso A-V.

Bomba A B

B-H

B-V

A-A

A-H

A-V

Bomba A B

B-H

B-V

A-A

A-H

A-V

Fig. Nº5.Mediciones de valores globales de la velocidad de la vibración

Considérense dos situaciones:

A) La principal componente es a 1xRPM, como se indica en fig. 6A.

B) La principal componente es a 6xRPM, como se indica en fig. 6B.

Los espectros vibratorios se muestran a continuación

A)

1000

V rms (mm/s)

6000

0.8

1.2

5450

A-V

1000

V rms (mm/s)

6000

0.8

1.2

5450

1000

V rms (mm/s)

6000

0.8

1.2

5450

A-V

B)

1000 f (cpm)

V rms (mm/s)

6000

0.4

1.6

5450 B-V

1000 f (cpm)

V rms (mm/s)

6000

0.4

1.6

5450

1000 f (cpm)

V rms (mm/s)

6000

0.4

1.6

5450 B-V

Fig. Nº6. Espectros vibratorios de la bomba




La frecuencia marcada en el espectro a 5450 cpm es la primera frecuencia natural de

vibrar vertical máquina/soporte.

− CASO A).

Para la bomba la frecuencia principal de excitación en dirección vertical es a lafrecuencia de rotación y está por debajo de la menor frecuencia natural, en más de un

25%. Por lo tanto, se considera un soporte rígido en la dirección vertical.

− CASO B).

Para la bomba la frecuencia principal de excitación en dirección vertical es la frecuencia

de paso de los alabes y es mayor que la menor frecuencia natural, por lo tanto, se

considera un soporte flexible en la dirección vertical.

4.2 Ejemplo 2.

Se tiene un ventilador de 8 álabes girando a 1000 rpm. Su potencia es de 350kW y está

montado sobre soportes rígidos.

Al medir vibraciones en la caja de los descansos se obtuvo el espectro vibratorio RMS

mostrado en Fig. N°7, correspondiente al descanso y dirección en el que se registro el mayor

valor de la vibración global.

Fig. N°7. Espectro vibratorio de un ventilador de 8 álabes




Las componentes a 1000 rpm y a 8000 rpm corresponden a vibraciones provenientes de la

máquina, que son producto del desbalanceamiento residual y al paso de los álabes

respectivamente. Las otras componentes provienen de otras fuentes. El valor RMS de la

velocidad de la vibración del espectro promediado es el siguiente:

2

6

2

5

2

4

2

3

2

2

2

1 RMS RMS RMS RMS RMS RMS RMS V V V V V V V +++++=

smmV RMS

/446.87.12438.35 222222=+++++=

Sí se usara este valor para evaluar la severidad vibratoria, se obtendría de la Tabla N°1: D =

INACEPTABLE . Sin embargo, el valor RMS de la velocidad de la vibración proveniente de lamáquina es solamente:

2

4

2

1 RMS RMS RMS V V V +=

smmV RMS /403.645 22=+=

Este es el valor con que se debe evaluar la severidad vibratoria de acuerdo a ISO-2372 . Con

este valor se obtiene de la Tabla N°1, que la severidad de la vibración es : C =

INSATISFACTORIA.

Se puede observar una diferencia de 2.043 mm/s entre el valor RMS proveniente de la

máquina y el valor RMS proveniente de la vibración total. Esta diferencia se debe a la

influencia de la vibración proveniente de otras fuentes.




4.3 Ejemplo 3.

Un ventilador de 8 álabes gira a 1200 cpm. La primera frecuencia natural de vibrar de la

máquina/soporte es de 400 Hz. Su potencia es de 40 KW. Las mayores vibraciones se

generan en el descanso A-H cuyo espectro se muestra en Fig. N°8.

Fig. N°8. Espectro de ventilador de 8 álabes, girando a 1200 cpm.

Con la potencia se establece que la máquina pertenece al grupo 2, de acuerdo con la

norma ISO-10816 . Las componentes están dentro del rango de frecuencias de 10 a 1000

Hz, por lo tanto, el parámetro para evaluar la severidad vibratoria es el valor RMS de la

velocidad de la vibración. El valor global de la vibración es:

smmV RMS /7.15.18.0 22=+=

Con este valor y con el tipo de soporte rígido se entra a la Tabla N°3. La máquina está en

la zona B, y se considera ACEPTABLE para operar sin restricción de tiempo.

0.8

1.5




4.4 Ejemplo 4.

Se tiene la misma máquina anterior pero girando a 120 cpm. La mayor vibración que se

obtiene en el descanso A-H tiene el siguiente espectro mostrado en Fig. N°9.

Fig. N°9. Espectro de ventilador girando a 120 cpm.

Con la potencia se establece que la máquina pertenece al grupo 2. Las componentes

están dentro del rango de frecuencias de 2 a 1000 Hz y el parámetro a utilizar para evaluar

la severidad de la vibración puede ser, la velocidad RMS o el desplazamiento RMS. Se

ocupará el que sea más restrictivo.

El valor global de la velocidad RMS, es el siguiente

smmV RMS /7.15.18.0 22=+= (8)

Para obtener el valor global del desplazamiento RMS, se debe conocer el espectro del

desplazamiento RMS, para ello se debe realizar la siguiente transformación

m srad

smm D RMS µ7.63

)/(56.12

)/(8.01 ==

(9)

m srad

smm D RMS µ9.14

)/(5.100

)/(5.12 ==

(10)

En el espectro se tiene (Fig. N°10).

0.8

1.5

0.8

1.5

162




Fig. N°10

El valor global del desplazamiento RMS, es el siguiente

m D RMS

µ4.659.147.63 22=+= (11)

Con el valor global de la velocidad RMS y el tipo de soporte rígido se entra a la tabla N°3.

La máquina esta en la zona B, y se considera ACEPTABLE para operar sin restricción.

Con el valor global del desplazamiento RMS y el tipo de soporte rígido se entra a la tabla

N°3. La máquina esta en la zona C, y se considera INSATISFACTORIA para una

operación continua para un tiempo prolongado.

El valor global del desplazamiento RMS es más restrictivo, por lo tanto, la severidad de la

vibración de la máquina es considerada insatisfactoria para trabajar un tiempo prolongado.

Consultas adicionales dirigirlas a :

Pedro Saavedra G. [email protected] ó

Edgar Estupiñan P. [email protected]

Laboratorio de Vibraciones MecánicasDepartamento de Ingeniería MecánicaUniversidad de Concepción - CHILE

0.8

1.5

14.9

63.7

162

iso-2372.-evaluaciones de la severidad.pdf

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